Расчёт теплообменного аппарата

Определим коэффициент теплопередачи для 2-й зоны k₂ графоаналитическим методом. Для этого предварительно находим для различных участков перехода теплоты зависимость между удельным тепловым потоком q и перепадом температур Dt.

 

Передача теплоты от пара к стенке.

1.11.1Определяем удельный тепловой поток

1.11.1Определяем удельный тепловой поток

где

     – безразмерный коэффициент;

      – предполагаемая высота трубок( ), .

1.11.1.1. Вычисляем безразмерный коэффициент

Задавшись рядом значений Dt₁, вычислим соответствующие им величины Dt₁^0,75 и q₁. Строим кривую Dt₁ = f(q₁) (рис.3).

 

Таблица 1.1.

Зависимость Dt₁ = f(q₁).

t, °С	t0,75	q1,кВт/м2
10 20 30 40 44,62 50	5,6 9,5 12,8 15,9 17,26 18,8	64,49 108,46 147,01 182,41 195 215,64

 

Передача теплоты через стенку.

1.11.2. Определяем плотность теплового потока

где

      ;

     

Задавшись значениями Dt₂, вычисляем соответствующие им величины q₂. Строим кривую Dt₂ = f(q₂) (рис.3).

Таблица 1.2.

Зависимость Dt₂ = f(q₂).

t, °С	q2,кВт/м2
5 5,21 10 20 25 30	190 198 380 760 950 1140

 

Передача теплоты через накипь.

 

 

1.11.3. Вычисляем удельный тепловой поток

где

      ;

     

Задавшись значениями Dt₃, определим соответствующие им величины q₃. Строим кривую Dt₃ = f(q₃) (рис.3).

Таблица 1.3.

Зависимость Dt₃ = f(q₃).

t, °С	q3,кВт/м2
5 10 11,36 15 20	87,25 174,5 198 261,75 349

 

Передача теплоты от накипи к воде.

1.11.4. Вычисляем удельный тепловой поток

,

где

     

Задавшись значениями Dt₄, определим соответствующие им величины q₄. Строим кривую Dt₄ = f(q₄) (рис.3).

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 1.4.

Зависимость Dt₄ = f(q₄).

t, °С	q4, кВт/м2
5 10 15 20 25 39,41	24,9 49,79 74,69 99,58 124,48 198

 

1.11.5. Рассчитаем средний температурный напор во 2-й зоне

, ,

Складываем ординаты четырех зависимостей, строим кривую температурных перепадов. На оси ординат из точки, соответствующей Dt₂, проводим прямую, параллельную оси абсцисс, до пересечения с кривой Dt_å = åf(q_i). Из точки пересечения опускаем перпендикуляр на ось абсцисс и находим значение удельного теплового потока q_гр, кВт/м².

Пусть:

 

.

.

1.11.6. Определяем коэффициент теплопередачи во 2-й зоне

 

1.11.7. Поверхность теплообмена во 2-й зоне составит

1.12. Определяем суммарную  поверхность теплообмена

1.13. Вычисляем длину трубок

где

      – средний диаметр трубок, м;

Т. к. не рекомендуется устанавливать трубки длиной более 5 м. Следовательно, необходимо уменьшить длину трубок. Для этого выбираем многоходовой подогреватель. Тогда общее число трубок составит

, ,

где

      - число ходов теплообменника.

Выбираем стандартное  количество ходов, близкое к полученному  значению - 3

. По ГОСТу n=301 шт.

1.14. Определяем D'при n_ст = 301

1.15. Проведем повторный расчет уже для многоходового теплообменника по формулам 1.9. - 1.13. 

Внутренний диаметр корпуса составит

 

Площадь межтрубного пространства для прохода пара

 

Скорость пара в межтрубном пространстве

Определяем коэффициент  теплоотдачи от пара к трубе:

Эквивалентный диаметр

Смоченный периметр

    

 Критерий Рейнольдса для пара

Критерий Нуссельта для пара

    

Коэффициент теплоотдачи от пара к трубе

 

Коэффициент теплопередачи в 1ой зоне

,

Поверхность теплообмена первой зоны

 

Суммарная поверхность теплообмена

    

1.16. Вычисляем длину трубок

Выбираем ближайшую  стандартную длину трубок L = 3 м.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ПОДОГРЕВАТЕЛЯ.

 

Этот расчет устанавливает затрату энергии на движение теплоносителей через аппарат. Гидравлическое сопротивление пароводяных теплообменников по межтрубному пространству, как правило, не определяется, так как его величина вследствие небольших скоростей и малой его плотности мала. Полный напор DР, необходимый для движения жидкости или газа через теплообменник, определяется по следующей формуле:

    DP = åDP_тр + åDP_м + åDP_у + åDP_г , Па,

где

      åDP_тр – сумма гидравлических потерь на трение, Па;

      åDP_м – сумма потерь напора в местных сопротивлениях, Па;

      åDP_у – сумма потерь напора, обусловленных ускорением потока, Па;

      åDP_г – перепад давления для преодоления гидростатического столба жидкости, Па.

2.1. Гидравлические потери на трение в каналах при продольном омывании пучка труб теплообменного аппарата определяются по формуле

где

      l_тр – коэффициент сопротивления трения;

      – длина трубы, м;

      d_э – эквивалентный диаметр, равный внутреннему диаметру трубок, м;

      r – плотность воды, кг/м³;

      w – средняя скорость воды на данном участке, м/с.

2.2. Коэффициент сопротивления трения для чистых трубок можно рассчитать по выражению

 

 

2.3. Гидравлические потери давления в местных сопротивлениях можно определить по формуле

где

      – коэффициент местного сопротивления, его находят отдельно для каждого элемента подогревателя

     

2.4. Потери давления, обусловленные ускорением потока вследствие изменения объема теплоносителя при постоянном сечении канала, определяются по выражению

, ,

где

      w₁ и w₂ – скорости теплоносителя во входном и выходном сечениях потока соответственно, м/с;

      r₁ и r₂ – плотности теплоносителя во входном и выходном сечениях потока соответственно, кг/м³.

      DP_у = 0 (для капельных жидкостей P_у ничтожно мало и не принимается в расчет).

Перепaд давления для преодоления гидростатического столба жидкости равен нулю, т.к. данный подогреватель не сообщается с окружающей средой:    DP_г = 0.

2.5. Определим полный напор, необходимый для движения воды через аппарат

 

2.6. Определим мощность, необходимую для перемещения воды через подогреватель

где

      G_в - объемный расход воды, м³/с;

      h = 0,85 - коэффициент полезного действия насоса;

     DP - полный напор, кПа.

2.7. Определение размеров патрубков:

Для воды (входной и выходной патрубки).

2.7.1 Вычисляем площадь сечения патрубка

.

2.7.2. Определяем диаметр патрубка

Патрубок для входа пара.

2.7.3. Принимаем скорость пара в патрубке w = 30 м/с. Вычисляем площадь сечения патрубка

где

      – массовый расход пара, ;

– плотность пара при средней температуре пара, ,

2.7.4. Определяем диаметр патрубка по формуле

 

 

Патрубок для выхода конденсата.

2.7.5. Принимаем скорость конденсата в патрубке w_к = 3 м/с. Плотность конденсата находится при температуре насыщения пара , . Вычисляем площадь сечения патрубка по выражению

2.7.6. Определяем диаметр патрубка по формуле

Патрубок для откачки воздуха.

2.7.7.Принимаем расход воздуха G_в' = 0,05 D_п, кг/с

G_в' = 0,05 D_п = 0,05×7,69 =0,3845, кг/с

Скорость воздуха w_в = 8 м/с. Вычисляем площадь сечения патрубка по выражению (2.2).

2.7.8. Определяем диаметр патрубка по формуле

 

 

Обобщение результатов расчета.

В результате проведенных расчетов разработан подогреватель, имеющий следующие характеристики:

1. Расход воды       181м³/ч;

2. Расход греющего пара      6,73 кг/с

3. Температура:

воды на входе      11 ^оС

воды на выходе     81°С

пара на входе      166°С

4. Размеры подогревателя:

внутренний диаметр корпуса   780 (800) мм

толщина стенок корпуса    4 мм

высота трубок     3200 (3000) мм

5. Число ходов      3

6. Число трубок      273 (301)шт.

7. Поверхность нагрева      84,94 (90) м²

8. Необходимая мощность насоса    0,36 кВт.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. МЕХАНИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ.

Произведем расчет основных узлов и деталей аппарата на прочность. Конструкция и элементы аппаратов должны рассчитываться на наибольшее допускаемое рабочее давление с учетом возможных температурных напряжений, особенностей технологии изготовления деталей, агрессивности действия рабочей среды и особенностей эксплуатации.

1. Определим толщину стенки кожуха.

где

      р – расчетное давление (давление греющего пара), Па;

      s_доп – допускаемое напряжение, Па, s_доп = 132,2 МПа                 

      j_св – коэффициент прочности сварного шва; j_св = 1

      C – прибавка на минусовые допуски проката, коррозию и др., м,

 

Выбираем стандартную  толщину кожуха, близкую к полученному  значению - мм.

3.2. Производим расчет толщины эллиптического днища. Исходя из условия технологичности изготовления, принимаем предварительно d_д = d_к = 4 мм, тогда толщина стенки днища, имеющего отверстие, определяется по выражению