Проект водонагревательной установки непрерывного действия

Министерство  образования и науки Российской Федерации

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ  УНИВЕРСИТЕТ

 

Кафедра теплоэнергетики

 

 

                            Допускаю к защите

 

Руководитель__________ В.М. Мартынов

 

 

Проект водонагревательной установки непрерывного действия

 

 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

 

К курсовой работе по дисциплине

 

 

Тепломасообменное оборудование предприятий

1.001.00.00.ПЗ

 

 

 

 

Выполнил студент группы  ТЭ-09-1              _______                 Д.И.Голубкин

                                                                            подпись                И.О. Фамилия

 

 

 

Нормоконтроль                                                _______                В.М.Мартынов

                                                                            подпись               И.О. Фамилия

 

 

 

 

 

Курсовая работа защищена с оценкой_______________

 

 

 

 

 

 

Иркутск 2010 г.

 

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ…….…………………………………………………………….…..4

1. Расчет  и выбор кожухотрубного теплообменника  …………………………5

2.Расчет и выбор пластинчатого теплообменника...……………………….....9

3. Гидравлический расчёт кожухотрубного теплообменника, трубопроводов

нагреваемого и греющего теплоносителей и выбор насосов………………..11

4. Расчет  тепловой изоляции…………………………...……………………..17

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..……………………………………………………………….19

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВННЫХ ИСТОЧНИКОВ…………………………….19

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

В курсовом проекте рассматриваются расчет и выбор двух видов теплообменников (кожухотрубный и пластинчатый).

Кожухотрубные теплообменники представляют собой аппараты, выполненные из пучков труб, собранных при помощи трубных решеток, и ограниченные кожухами и крышками со штуцерами. Трубное и межтрубное пространства в аппарате разобщены, а каждое из этих пространств может быть разделено при помощи перегородок на несколько ходов. Перегородки устанавливаются с целью увеличения скорости, а следовательно, и  интенсивности теплообмена теплоносителей. Теплообменники этого типа предназначаются для теплообмена между жидкостями и газами.В большинстве случаев пар (греющий теплоноситель) вводится в межтрубное пространство, а нагреваемая жидкость протекает по трубкам. Конденсат из межтрубного пространства выходит к конденсатоотводчику через штуцер, расположенный в нижней части кожуха

Другой вид  – пластинчатые теплообменные аппараты. В пластинчатых теплообменниках поверхность теплообмена образована набором тонких штампованных гофрированных пластин. Эти аппараты могут быть разборными, полуразборными и неразборными (сварными).

В пластинах  разборных теплообменников имеются  угловые отверстия для прохода  теплоносителей и пазы, в которых  закрепляются уплотнительные и компонующие прокладки из специальных термостойких резин. Пластины сжимаются между неподвижной и подвижной плитами таким образом, что благодаря прокладкам между ними образуются каналы для поочередного прохода горячего и холодного теплоносителей. Плиты снабжены штуцерами для присоединения трубопроводов.

 Неподвижная  плита крепится к полу, пластины  и подвижная плита – закрепляются в специальной раме. Группа пластин, образующих систему параллельных каналов, в которых данный теплоноситель движется только в одном направлении, составляет пакет. Пакет по существу аналогичен одному ходу по трубам в многоходовых кожухтрубных теплообменниках.

Целью курсовой работы является – разработатьпроект водонагревательной установки непрерывного действия.

Для этого необходимо:

рассчитать тепловую нагрузку теплообменников;

выполнить приближенную оценку коэффициентов  теплоотдачи, теплопередачи и поверхности нагрева;

выбрать: теплообменник из стандартного ряда; насос (насосы) для подачи воды и возвратного конденсата; а в конце конденсатоотводчик;

выполнить поверочныйи гидравлический расчеты теплообменника

выбрать и рассчитать тепловую изоляцию подводящих и отводящих трубопроводов и аппарата;

составить схему водонагревательной установки.

 

 

1. Расчет тепловой нагрузки аппарата

 

Определяющая температура воды

°С

где t_2н= 5^оС – начальная температура нагреваемого теплоносителя; t_2к= 70^оС – конечная температура нагреваемого теплоносителя.

Теплофизические свойства  воды при  t₂=37,5°С по [1]  :

плотность ρ₂ = 993,5 кг/м³;

теплоемкость С₂= 4,174 кДж/(кг·К);

теплопроводность λ₂= 0,625 Вт/(м·К);

динамический коэффициент вязкости μ₂= 684,8·10^-6Па·с;

число Прандтля Pr₂= 4,58;

кинематический коэффициент вязкости ν₂= 0,69·10^-6 м²/с.

Теплота, воспринятая нагреваемым  теплоносителем без изменения его  агрегатного состояния

Q₂ = G₂C₂(t_2к-t_2н) = 10·4,174·(70-5) = 2713,115 кВт.

Тепловая нагрузка из уравнения  теплового баланса для греющего теплоносителя

 кВт,

где η = 0,95 – КПД теплообменника, учитывающий потери теплоты в окружающую среду.

 

Тепловой  баланс и определение расхода  одного из

теплоносителей  при известном расходе другого  теплоносителя

 

Из уравнения теплового баланса при конденсации насыщенных паров без охлаждения конденсата

,

выражаем  расход греющего теплоносителя

кг/с.

где r = 2383,3кДж/(кг·К) – теплота парообразования при температуре насыщения t_н= 104,8 ^оС  и при заданном давлении P = 0,12 МПа по [1,2].

Теплофизические показатели конденсата приt_н=104,8 ^оС по [1]:

теплоемкость С₁= 4,227 кДж/(кг·К);

плотность ρ₁= 955,3 кг/м³;

теплопроводность λ₁= 0,679 Вт/(м·К);

динамический коэффициент вязкости μ₁= 269,37·10^-6Па·с;

кинематический коэффициент вязкости ν₁= 0,282·10^-6 м²/с.

число ПрандтляPr₁=1,674.

 

Определение среднего температурного напора

 

Греющий теплоноситель имеет постоянную температуру на всем протяжении теплообменника, следовательно, среднелогарифмические напоры при противотоке и прямотоке будут равны. Выбираю в качестве схемы движения теплоносителей противоток.

На рис.1 изображено изменение температур теплоносителей по поверхности теплообменника при противотоке.

Рисунок 1 –  Изменение температур теплоносителей по поверхности

теплообменника  при противотоке

 

Определяем большую Δt_б и меньшую Δt_м разности температур двух теплоносителей на концах теплообменника (рис.1):

Δt_б = t_н-t_2н= 104,8 - 5 = 98,8 ^оС;

Δt_м = t_н-t_2к= 104,8 - 70 = 34,8 ^оС.

Проверяем соотношение

^оС.

Так как отношение Δt_б/Δt_м<4,5, средний температурный напор при противотоке

Δt_ср = 0,5(Δt_б+ Δt_м)-0,1(Δt_б+Δt_м) = 0,5(98,5+34,8)-0,1(98,5-34,8) =60,3 ^оС.

 

Приближенная  оценка коэффициента теплоотдачи, теплопередачи  и поверхности нагрева

 

Принимаю ориентировочное значение коэффициента теплопередачи K_ор=2000 Вт/(м²·К) из табл. 2.1 [3].

 

Основное уравнение теплопередачи

,

откуда ориентировочная площадь  поверхности теплообмена

=22,49 м².

Ориентировочный коэффициент теплопередачи для  вынужденного движения соответствует развитому турбулентному режиму течению и оптимальному режиму работы аппарата.

 

Выбор теплообменника из стандартного ряда

 

Выбираю стандартныйкожухотрубный теплообменник из табл. 2.3 [3] со следующими характеристиками (рис.2):

внутренний  диаметр кожуха Dв = 325 мм;

наружный  диаметр труб  d_н×δ = 20×2 мм;

число ходов z = 2;

общее число  труб n = 90;

высоты труб H = 3 м;

площадь поверхности  теплообмена F = 17 м².

 

Расчет  коэффициентов теплоотдачи с  греющей и нагреваемой стороны, коэффициент теплопередачи и  поверхности теплообмена

 

Коэффициент теплоотдачи вычисляем по формуле из [3]

.

 

Здесь определяющим размером является внутренний диаметр  трубок, который можно вычислить по формуле

.

Для определения  расчётной формулы критерия Нуссельта  необходимо рассчитать:

 – скорость движения нагреваемой  воды в трубках;

– площадь сечения пучка труб. Здесь n=166 и z=2 – соответственно число трубок и число ходов; тогда критерий Рейнольдса

 – режим течения турбулентный.

При турбулентном течении жидкости в прямых трубах и каналах с различной формой поперечного сечения для определения критерия Нуссельта справедлива формула М.А. Михеева (с. 45) из [2]

,

поскольку t_c~t_ж, то поправкой Pr_ж/Pr_c пренебрегаем.

Тогда формула  значительно упрощается и принимает  вид:

.

Коэффициент теплоотдачи от стенки к нагреваемой  воде

.

 

Коэффициент теплоотдачи от пара, конденсирующегося на пучке горизонтально расположенных труб , определим по уравнению

 

Расчет  коэффициента теплопередачи и поверхности 

теплообмена

 

Поскольку толщина  трубок теплообменника не превышает 2,5 мм, для уточнения коэффициента теплопередачи  использую формулу для плоской  стенки [3, с.27], термическим сопротивлением загрязнения пренебрегаем, ошибка составит не более 3%:

,

где = 0,002 м – толщина стенки, – теплопроводность стали.

Уточняю  площадь поверхности  теплообмена

Сопоставляю стандартную поверхность  теплообмена с рассчитанной

.

Запас поверхности  составляет 11,4%, что является допустимым,  и принимаем к установке ранее выбранный теплообменник 325ТГК-6-М1-0/20-3-1гр.А

Условное  обозначение теплообменника325ТВК-12-М1-О/16-3-2 гр. А[3]:

325 мм – диаметр кожуха; Т - теплообменник; Г – горизонтальный; К – конденсатор; 12ата (0,12 МПа) – давление в трубном пространстве, М1 – материал группы 1; О – обыкновенного исполнения по температурному ограничению; 20 мм – наружный диаметр труб; 3 м – длина труб; 2 – двухходовый по трубному пространству; А – для нагрева и охлаждения не взрывоопасных пожаробезопасных сред и сред, не обладающих токсичностью.

 

 

Рисунок 2 – Вертикальный кожухотрубчатый двухходовой (по трубному пространству) теплообменник: 1 – крышка распределительной камеры; 2 – распределительная камера; 3 – кожух; 4 – теплообменные трубы; 5 – перегородка с сегментным вырезом; 6 – штуцер; 7 – крышка

 

 

 

 

2. Расчёт и выбор пластинчатого теплообменника

 

Выбираю пластинчатый подогреватель (конденсатор паров) из табл. 2.13 [3] с поверхностью теплообмена F = 16 м², поверхностью пластины f= 0,3 м² и числом пластин N = 56.

Конструктивные  характеристики данного теплообменника из табл. 2.14 [3]:

эквивалентный диаметр канала d_э= 8,0 мм;

поперечное  сечение канала S = 0,0011 м²;

приведенная длина канала l= 1,12 м;

диаметр условного  прохода штуцеров d_шт = 65 мм.

Условное  обозначение теплообменника ТПР 0,3Е-16-1-2-10 (рис. 3): Т – теплообменник; П – пластинчатый; Р – разборный; 0,3 м² – площадь одной пластины; Е – тип пластин; 20 м² – площадь поверхности теплообмена; 1 – на консольной раме; 2 – марка материала; 10 – марка материала прокладки (стойкая резина СУ-359).

 

Рисунок 3 – Разборный пластинчатый теплообменник:

I – греющий теплоноситель (конденсат) ;II – нагреваемый теплоноситель (вода)

 

Скорость жидкости и число Рейнольдса в N/2 = 28 каналах из [3] равны

м/с;

,

так как  то наблюдается турбулентный режим из [3].

Критерий Нуссельта из [2]

.

Коэффициент теплоотдачи

Вт/(м²·К).

Число Рейнольдса из [2]

,

так какRe>50, то наблюдается турбулентный режим из [3].

Критерий  Нуссельта из [3]

,

где 240 – коэффициент, зависящий от площади пластины из [3].

Коэффициент теплоотдачи от пара к стенке

 Вт/(м²·К).

 Вт/(м²·К),