3.Тепловой и гидравлический расчет вертикального пароводяного подогревателя

Исходные данные:

Произвести тепловой, конструктивный и гидравлический расчет и разработать конструкцию вертикального пароводяного подогревателя.

Исходные данные для расчета:

производительность Q =4 МВт;

греющий пар сухой, насыщенный с давлением Р = 0,40 МПа;

температура нагреваемой воды: на входе =40 °С;

на выходе ⁼ 90 °С.

Трубную систему выполнить из латунных трубок (латунь Л-68 с коэффициентом теплопроводности = 105 Вт/(мК) с наружным диаметром = 16 мм и внутренним - = 14 мм.

Скорость воды в трубках ориентировочно принять = 2,0 м/с. Ориентировочное число ходов 2.

Влияние загрязнения поверхности теплообмена учесть дополнительным термическим сопротивлением слоя загрязнений на внутренней поверхности трубок толщиной = 0,05 мм с коэффициентом теплопроводности = 2 Вт/(мК).

1. Определяют расход пара:

кг/с,

где - соответственно энтальпии пара и конденсата на линии насыщения при давлении 0,40 МПа. По таблицам Ривкина, i"_n= 2738,5кДж/кг, = 604,7 кДж/кг;

- коэффициент, учитывающий потери теплоты в окружающую среду =0,99.

2. Определяют массовый и объемный расход воды:

,кг/с,

, ,

где С_в =4187 Дж/(кг-К) - удельная массовая теплоемкость воды;

р_в = 980 кг/м³ - плотность воды при температуре =(40 + 90)/2 = 65 °С.

3. Определяют среднюю логарифмическую разность температур теплоносителей в подогревателе:

г де - температура насыщения при давлении в паровом пространстве. По таблицам Ривкина, при =0,40 МПа, = 143,62 °С.

4) Определяют число трубок в одном ходе предварительно:

, шт,

всего в корпусе трубок предварительно:

Принимают шаг трубок S = 32 мм, угол между осями трубной системы а=60° (треугольная разбивка).

Определяем по табл. 8 количество труб, которое можно разместить в равностороннем шестиугольнике N = 127, и число труб, расположенных на диаметре n_d=17.

Диаметр описанной вокруг шестиугольника окружности определяют по формуле

,мм,

Внутренний диаметр корпуса подогревателя:

,мм.

Принимают для корпуса подогревателя трубу 530/512. Для установки перегородки в верхней

водяной камере удаляют пять трубок. Таким образом, действительное число трубок в подогревателе равно = 127 - 5 = 122, т. е. по 61 трубки в каждом ходе.

5) Действительная скорость воды в трубках:

,м/с.

6) Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к вертикально расположенным трубкам можно определить в зависимости от значения числа Григулля

по следующим формулам:

при z<2300 , Вт/(м²К);

при z>230 , Вт/(м²К),

где ,

где Н - расчетная высота трубок, м;

t_H, t_cm- температура конденсата (равная температуре насыщения пара) и температура стенки;

- температурные множители.

Использование этих формул требует расчетов теплообменника методом подбора значения t_cm. Вместо этого можно применить методику упрощенного графоаналитического расчета теплообменника, которая обеспечивает однозначное решение.

Коэффициент теплопередачи определяют графоаналитическим методом, для чего предварительно находим для различных участков перехода теплоты зависимость между плотностью теплового потока и перепадом температур .

а) Теплоотдача от пара к стенке. Коэффициент теплоотдачи определяем по формуле Нуссельта:

, Вт/(м²К),

где

Н - расстояние между соседними перегородками, принимаем Н = 0,5 м.

Для найденного значения плотность теплового потока:

Принимая ряд значений вычисляют соответствующие величины и , сводя их в таблицу №1

Таблица №1

, °С	, оС	, Вт/м2
5	3,344	42074
10	5,62	70759
20	9,457	119002
30	12,82	161296
40	15,905	200138

б) Передача тепла через стенку:

, Вт/м²,

т. е. связь между и изображается графически прямой линией. Принимая значение

находят эту точку на графике и проводят через нее прямую из начала координат

в) Передача тепла через слой накипи

Принимая значением °С, находят

Наносят эту точку на график и проводят через нее прямую из начала координат.

г) Передача теплоты от стенки к воде:

Принимая значением ^оС, получают

, Вт/м².

Аналогично предыдущему строят прямую полученной зависимости , проходящую через начало координат.

7) Складывая ординаты четырех кривых ,как это показано на рис.1 (Приложение А), строим суммарную кривую тепловых перепадов. Из точки на оси ординат, соответствующей ^оС, проводят кривую, параллельную оси абсцисс, до пересечения ее с суммарной кривой. Из точки пересечения опускают перпендикуляр на ось абсцисс и находят значение Вт/м².

8) Определяют коэффициент теплопередачи по формуле

, Вт/(м²·К).

9) Определяют поверхность нагрева теплообменника:

, м².

10) Определяют рабочую длину трубок:

, м.

11) Определяют полную длину трубок:

, мм,

где - количество перегородок в межтрубном пространстве; принимаем =4 шт.;

- толщина перегородок; принимают =6 мм;

- толщина трубной доски.

, мм.

12) Расстояние от края сегментной перегородки до корпуса аппарата

, мм.

13) Определяют гидравлические потери в подогревателе.

а) Коэффициент гидравлического трения для гладких латунных труб определяют по формуле

,

где - число Рейнольдса

,

где - коэффициент кинематической вязкости, м²/с.

По таблицам Ривкина в зависимости от t_в = 60 °С определяют динамический коэффициент вязкости , Пас:

, м²/с.

б)Потерю давления в подогревателе определяют с учетом дополнительных потерь от шероховатости в результате загрязнения труб по табл.5 и потерь от местных сопротивлений по табл. 6.

Для условий проектируемого теплообменника коэффициенты местных сопротивлений имеют следующие значения:

вход в камеру 1,5-1=1,5;

вход в трубки 1-2=2,0;

выход из трубок 1-2=2,0;

поворот на 180° 2,5-1=2,5;

выход из камеры 1,5-1=1,5.

Итого: 9,5.

в)Потеря давления в подогревателе с учетом загрязнения латунных труб ( табл. 5)

, кПа.

Гидравлическое сопротивление пароводяных подогревателей по межтрубному пространству, как правило, не определяется, так как его величина вследствие небольших скоростей пара (до 10 м/с) очень мала.

14) Выполняют чертеж вертикального пароводяного подогревателя в соответствии с прототипом и аналогичными конструкциями горизонтальных подогревателей (см. п. 8.4 приложения).

15) Заносят основные характеристики аппарата в сводную таблицу № 2.