Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ

ГОМЕЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ П. О. СУХОГО

Факультет заочный

Кафедра «Промышленная теплоэнергетика и экология»

РАСЧЕТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовой работе по дисциплине «Термодинамика и теплоустановки»

на тему: «ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ»

Исполнитель: студент гр. ЗНР-31

Зевако М.М.

Гомель 2017

Содержание

• Введение
• 1. Тепловой и конструктивный расчёт горизонтального пароводяного подогревателя
• 2. Тепловой конструктивный расчёт секционного водо-водяного подогревателя
• 3. Тепловой конструктивный расчёт вертикального пароводяного подогревателя
• Заключение
• Литература

Введение

Целью курсовой работы является углубление и закрепление знаний по изучаемому курсу, а также приобретение практических навыков применения теоретических знаний при решении производственных задач.

Курсовая работа выполняется по следующим разделам:

Тепловой конструктивный расчёт горизонтального пароводяного подогревателя.

Тепловой конструктивный расчёт секционного водо-водяного подогревателя.

Тепловой конструктивный расчёт пароводяного подогревателя графоаналитическим методом.

Подогреватель пароводяной представляет собою кожухотрубный теплообменник горизонтального типа. Они служат для нагрева паром сетевой воды для того, чтобы использовать эту воду в системах горячего водоснабжения и в отопительных системах зданий различного предназначения. Пароводяные подогреватели изготовляются для нагрева воды в тепловых системах горячего водоснабжения и отопления насыщенным паром от паропроводов низкого давления или паровых котлов.

Водо-водяной подогреватель (ВВП) применяется в системах горячего водоснабжения и отопления общественных, коммунально-бытовых и различных других зданий. В таких системах горячая вода, которую получают от тепловых или промышленных магистралей ТЭЦ, является теплоносителем. Водо-водяной подогреватель можно использовать и в других системах, где необходимо охлаждение жидкости, которую используют как охладитель конденсата при работе пароводяных подогревателей.

Пароводяной подогреватель вертикального и горизонтального типов применяют на ТЭЦ для подогрева теплофикационной воды, циркулирующей в системе теплоснабжения. Пар поступает в турбины из энергетических котлов, одну часть своей теплоты отдает для выработки электроэнергии, а другую (низкого потенциала) - нагреваемой воде.

пароводяной подогреватель теплопроводность

1. Тепловой и конструктивный расчёт горизонтального пароводяного подогревателя

Таблица 1 - Исходные данные.

Производительность	Q = 5,8·106 Вт
Температура нагревателя воды при входе в подогреватель	t'2 = 60 oC
Температура нагревателя воды при выходе из подогревателя	t''2 = 91 oC
Абсолютное давление сухого насыщенного пара согласно исходных данных к проекту	P = 0,55 МПа
Температура конденсатора tk, равна температуре насыщения tн = 145,39єС	tk = 145,39 оС
Число ходов воды	z = 2
Скорость движения воды в трубках	щ = 1,2 м/с
Диаметры поверхности нагрева	dв/dн =14/16 мм = 0,014/0,016

Расчет:

Средняя температура воды:

t₂ == 75,5 ⁰C (1)

По величине t₂ из справочной таблицы [2, c 20] находим плотность воды и теплоёмкость при помощи интерполяции:

Удельная теплоёмкость воды при температуре t₂ = 75,5 °C:

а_i= = 0,0008

b_i = y_i-1-a_i·x_i-1 = 4,187-0,0008·70 = 4,131

y ? a_i·t₂+b_i = 0,0008·75,5+4,131 = 0,0604+4,131 = 4191 Дж/(кг·^оС)

Плотность воды при температуре t₂ = 75,5 °C:

а_i = = -0,59

b_i = y_i-1-a_i·x_i-1 = 977,7-(-0,59·70) = 1019

y ? a_i·t₂+b_i = -0,59·75,5+1019 = 974,455 (кг/м³)

Расход воды массовый G и объёмный V, определяется по формулам:

G = кг/с; (2)

V == м³/с. (3)

Определяем число трубок в одном ходе:

n₀ = шт. (4)

Определяем число трубок в корпусе (всего):

n = n₀·z=249·2=498 шт. (5)

Принимая шаг трубок, мм:

s = d_н + 6 = 16+6= 22 мм (6)

Определяем внутренний диаметр корпуса:

D_в = 1,1·s· = 646 мм (7)

где з - коэффициент заполнения трубной решётки, который принимается равный 0,7 и может приниматься от 0,6 до 0,8.

Приведённое число трубок в вертикальном ряду:

m = (8)

Определяем температурный напор:

?t = °C (9)

Теплоотдача от пара к стенке, а также средние температуры воды и стенки:

t = t_н-?t=145,39 - 68,729 = 76,661 °C; (10)

t_ст = 0,5·(t+t_н) = 0,5·(76,661+145,39) = 111,025 °C (11)

Длина трубки определяется по формуле:

L = m·d_н·(t_н-t_ст)·А₁ = 22·0,016·(145,39-111,025)·101,007 = 1222 м (12)

Величина А₁ - это температурный множитель определяемый по таблице П3 [2, c 17]. Значение находим при температуре 145,39 єС при помощи интерполяции.

a_i= (y_i-y_i-1)/(x_i-x_i-1) = ( 107 - 94 ) / ( 150 - 140 ) = 1,3

bi = y_i-1 - a_i·x_i-1 = 94 - 1,3·140 = - 88

y ? 1,3·145,39+88 = 101,007

Т.к. L= 1222 <3600 (для горизонтальных труб), то режим течения пленки конденсата ламинарный и тогда для этого режима коэффициент теплоотдачи пара aп, определяется по формуле Д.А. Лабунцова:

а_п = Вт/(м·К) (13)

Величина А2 - это температурный множитель определяемый по таблице П3 [2, c 17]. Значение находим при температуре 145,39 єС при помощи интерполяции.

a_i= (y_i-y_i-1)/(x_i-x_i-1) = (9700-9600)/(150-140) = 10

b_i = y_i-1 - a_i·x_i-1 = 9600-10·140 = 8200

y ? 10·145,39+8200=9653,9

Теплоотдача от стенки воде:

Режим течения воды в трубках является турбулентным если Re>10⁴

Re = 44090 (14)

где v кинематическая вязкость воды, находится интерполяцией при средней температуре воды 76,661 ^оС ( 349,811 ^оК ) м/у табл. Стр. 20

a_i= (y_i-y_i-1)/(x_i-x_i-1) = (0,365-0,415)/(353-343) = - 0,005

b_i = y_i-1 - a_i·x_i-1 = 0,415 + 0,005·343 = 2,13

y ? - 0,005·349,811 + 2,13 = 0,381·10^-6 (м²/с)

Т.к. условие выполняется Re = 44090 > 10000, то коэффициент теплоотдачи при движении воды а_в определяется по формуле:

a_в = = 7970 Вт/(м²·К) (15)

где A5 - выбирается по приложению по средней температуре 76,661 єС, то осуществляем интерполяцию:

a_i= (y_i-y_i-1)/(x_i-x_i-1) = (3000-2800)/(80-70) = 20

b_i= y_i-1 - a_i·x_i-1 = 2800-20·70 = 1400

y ? 20·76,661 +1400 = 2933

Уточняем значение температуры стенки трубок подогревателя:

єС (16)

5,831%

Т.к. t'_ст отличается от принятого ранее значения t_ст более чем на 5% , то необходимо произвести перерасчет коэффициента а_n задавая в качестве температуры стенки значение t'_ст

Вт/(м²·К) (17)

Уточняем значение температуры трубок подогревателя:

єС (18)

%

Расчетный коэффициент теплопередачи К, определяется по формуле:

Вт/(м²·К) (19)

где - коэффициент теплопроводности латунных трубок, 105 Вт/(м·К); величина - толщина латунных трубок, которая составляет 1 мм = 0,001 м.

Тогда площадь поверхности нагрева составляет:

(м²) (20)

По расчетной площади нагрева F и диаметру трубок, по каталогу выбирается пароводяной подогреватель горизонтального типа, характеристики которого представлены в таблице:

Таблица 2 - Параметры кожухотрубчатого теплообменника сварной конструкции с неподвижными решетками ПП I-32-7-II (ОСТ 108.271.105-76)

Площадь поверхности нагрева F, м2	Кол-во трубок n	Длина трубок l, мм
32	232	3000

Приведенное число трубок получили взяв m =15

Далее уточняем скорость течения воды щ, в трубках выбранного подогревателя:

3,602 м/с (21)

Число Рейнольдса:

Re = 132400 (22)

где воды, м²/с

Коэффициент теплоотдачи при движении воды a_в, определяется по формуле:

а_в = А₅ = 2933 = 19200 Вт/(м²·К) (23)

и коэффициент теплоотдачи пара:

a_n = = 5429 Вт/(м²·К) (24)

Уточняем значение температуры стенки трубок подогревателя:

91,811 (^oC) (25)

·100 = 11,486 %

Т.к. t'_ст отличается от принятого ранее значения t_ст более чем на 5% , то необходимо произвести перерасчет коэффициента а_n задавая в качестве температуры стенки значение t'_ст

Коэффициент теплоотдачи пара:

5108 Вт/(м²·К) (26)

Уточняем значение температуры стенки трубок подогревателя:

91,811 ^oC (27)

= 0,463 %

Уточняем коэффициент теплопередачи:

4116 Вт/(м²·К) (28)

где - коэффициент теплопроводности латунных трубок, 105 Вт/(м·К); величина - толщина латунных трубок, которая составляет 1 мм = 0,001 м.

Тогда площадь поверхности нагрева составляет:

20,503 м² (28)

Полученная площадь нагрева не превышает действительную площадь нагрева выбранного подогревателя, т.к. F=20,503 м² < 32 м² , то пароводяной подогреватель выбран верно.

Длина хода волны L составит:

L = l·z = 3000·2 = 6000 мм = 6 м

Re = 44090

Потеря давления в подогревателе ?P:

= 8341 Па (29)

где x - дополнительные потери от шероховатости; х = 1 (для новых латунных трубок);

- потери от местных сопротивлений;

- входная камера; значение 1,5 [2,c.18];

- поворот на 180^о в U-образной трубе; значение 0,5 [2,c.18];

- выходная камера; значение 1,5 [2,c.18];

g - ускорение свободного падения; g=9,8 м/с²;

с - плотность воды;

2. Тепловой конструктивный расчёт секционного водо-водяного подогревателя

Расчет секционного водо-водяного подогревателя заключается в определении общей площади поверхности теплообменника и необходимого количества секций. Греющим и нагревающим теплоносителем является вода. Причем, нагреваемая вода течет в межтрубном пространстве, а греющий теплоноситель движется по трубам нагревателя.

Таблица 3 - Исходные данные.

Производительность	Q = 5,8·106 Вт
Температура нагревателя воды при входе в подогреватель	t'2= 60 0C
Температура нагревателя воды при выходе в подогреватель	t''2 = 91 0C
Температура греющей воды при входе в подогреватель	t'1= 130 0C
Температура греющей воды при выходе из подогревателя	t''1= 75 0C
Диаметры поверхности нагрева	dв/dн=14/16 мм = 0,014/0,016 м
Скорость движения воды в трубках	щ = 1,2 м/с
Коэффициент теплопередачи	в=0,7

Расчет:

Средняя температура воды:

t₂ == 75,5 ^oC (30)

По величине t2 из справочной таблицы [2, c 20] находим плотность воды и теплоёмкость при помощи интерполяции:

Удельная теплоёмкость воды при температуре t2 = 75,5 °C:

а_i= = 0,0008

b_i = y_i-1-a_i·x_i-1 = 4,187-0,0008·70 = 4,131

y ? a_i·t₂+b_i = 0,0008·75,5+4,131 = 0,0604+4,131 = 4191 Дж/(кг·^оС)

Плотность воды при температуре t2 = 75,5 °C:

а_i = =

b_i = y_i-1-a_i·x_i-1 = 977,7-(-0,59·70) = 1019

y ? a_i·t₂+b_i = -0,59·75,5+1019 = 974,455 (кг/м³)

Расход сетевой воды массовый G и объёмный V, определяется по формулам:

G_Mm = кг/с (31)

V_Mm == м³/с (32)

Средняя температура воды:

°C (33)

По величине t₂ из справочной таблицы [2,c.20] находим плотность воды и теплоемкость при помощи интерполяции:

ai = 0,0013

4,22 - 0,0013·100 = 4,09

y = 0,0013·102,5 + 4.09 = 4,223 (Дж/(кг·°C))

С_р = 4,223 (Дж/(кг·°C))

Плотность воды при t₁ = 102,5 °C:

a_i =

+ 0,77·100 = 1035

y = -0,77·102,5 + 1035 = 956,75

с = 956,75 (кг/м³)

24,971 (кг/с) (34)

V_m = 0,026 м³/с (35)

Площадь проходного сечения трубок:

0,022 м2 (36)

По площади из каталога выбираем секционный водяной подогреватель, его технические характеристики представлены в таблице 4:

Таблица 4 - Технические характеристики ВВП-13-325-2000

Внутренний диаметр корпуса Dвн, мм	Кол-во трубок n	Площадь проходного сечения трубок	Площадь проходного сечения межтрубного пространства
350	151	0,02325	0,0445

Уточняем скорость движения воды в трубках и межтрубном пространстве:

1,118 м/с (37)

1,034 м/с (38)

Эквивалентный диаметр для межтрубного пространства:

0,022 м (39)

где Р - периметр межтрубного пространства:

 8,685 м (40)

где D_вн - внутренний диаметр корпуса теплообменника; D_вн=350 мм

Средняя температура воды в трубках и в межтрубном пространстве:

102,5 °C (41)

75,5 °C (42)

По температуре t₁ = 98 °С выбирается температурный множитель A_5m=3325

10

3300-10·100 = 2300

y = 10·102,5+2300 = 3325

По температуре t₂ = 75,5 °С выбирается температурный множитель A_5Mm = 2910

20

2800-20·70 = 1400

y = 20·75,5+1400 = 2910

Далее определяется режим течения воды в трубках и межтрубном пространстве. Режим течения является турбулентным при значениях критерия Re > 10⁴

54160 (43)

 53440 (44)

где v - кинематическая вязкость воды;

при температуре t₁ = 102,5 °С = 375,65 K

-0,0023

0,295+0,0023·373 = 1,153

y = -0,0023·102,5+1,153 = 0,289

При температуре t₁ = 75,5 °С = 348,65 K

-0.005

0,415+0,005·343 = 2,13

y = -0,005·348,65+2,13 = 0,387

Так как режим течения воды в трубках турбулентный, то коэффициент теплоотдачи при движении воды в трубках и межтрубном пространстве определяется по формуле:

8537 (45)

6536 (46)

Коэффициент теплоотдачи определяется как для плоской стенки:

3567 Вт/(м²·К) (47)

Средний температурный напор и расчетная поверхность нагрева подогревателя определяется по формуле:

?t = °C (48)

?t_max = 130-91 = 39 °C (49)

?t_min = 75-60 = 15 °C (50)

Поверхность нагрева составит:

64,738 (51)

Для дальнейших расчетов требуется рассчитать количество секций z и уточненную поверхность нагрева F=F'·z, зная площадь поверхности нагрева одной секции F' = 10 м² и длину трубок l_m = 2000 мм выбранного подогревателя получим число секций:

N = = 7 (51)

Если величина N полученная по данной формуле имеет дробную часть составляющую больше 0,2 , число секций следует округлять в большую сторону.

F = F'·z = 10·7 = 70 м² (52)

Условие F = 64,738 < 70 м² выполняется.

Длина хода воды в трубках и межтрубном пространстве определяется по следующим формулам:

L_m = l_m·z = 2·7 = 14 м (53)

L_Mm = (l_m - 0,5)·z = (2-0,5)·7 = 10,5 м (54)

Гидравлические потери в подогревателе:

=2001Па (55)

где - коэффициент гидравлического трения, который определяется по таблице приложения П4 по уточнённому критерию Рейнольдса.

Для одной секции:

- потери от местных сопротивлений, поворот на 180° при переходе через колено из одной секции в другую, (z-1) число колен:

2·(z-1) = 2·(7-1) = 12

Суммарные потери:

= 13,5·7 = 94,5;

Re = 54160;

0,0202

для новых трубок принимается = 1.

Гидравлические потери в подогревателе в межтрубном пространства:

= 5587 Па (56)

= 0,0202;

Re_Mm = 53440;

где - потери местных сопротивлений;

= 13,5·7 = 94,5

Диаметры патрубков d_n и d_k, соединяющих секции подогревателя, определяется по формуле:

d_k = 0,172 м (57)

d_n = 0,238 м (58)

3. Тепловой конструктивный расчёт вертикального пароводяного подогревателя

Таблица 6 - Исходные данные:

Производительность	Q = 8·106 МВт
Давление	P = 0,35 МПа = 3,5 бар
Температура средняя воды	155 0C
Энтальпия	hн = 584,5 кДж/кг
Температура насыщенного пара	tн = 138,88 0C
Энтальпия конденсата на выходе из теплообменника	hн = 588,7 кДж/кг
Температура нагреваемой воды при входе в подогреватель	t'2 = 60 0C
Температура нагреваемой воды при выходе из подогревателя	t''2 = 91 0C
Диаметры поверхности нагрева	dв/dн = 0,014/0,016
Высота трубок в одном ходе	H = 4 м
Толщина накипи	5­н = 0,0002 м
Коэффициент теплопроводности накипи	Вт/(м·К)

Расход пара и объемный расход воды определяются по формулам:

0,0037 кг/с (59)

0,061 м³/с (60)

Средняя логарифмическая разность температур теплоносителей и подогревателя:

? 71,181 ^oC (61)

= ^oC (62)

= ^oC (63)

Далее применяется методика упрощенного графоаналитического метода расчета удельного теплового потока. Для этого предварительно для различных участков процесса теплопередачи находится теплозависимость между удельным тепловым напряжением и перепадом температур на данном участке:

Рассмотрим процесс теплоотдачи от пара стенке. Коэффициент теплоотдачи пара, определяется по формуле Нуссельта:

5136 Вт/(м²·К) (64)

В = 5700·56·t_н - 0,009· = 5700·56·138,88-0,009·138,88² = 13300 (65)

35,59 ^oC (66)

Обозначим а_n=a₁. Имеем теплозависимость вида . Задаваясь рядом значений ?t от 0 до 40, вычисляем соответствующие им величины . Строим зависимость :

q₁ = a_n·5 = 5136·5 = 25680;

q₂ = a_n·10 = 5136·10 = 51360;

q₃ = a_n·15 = 5136·15 = 77040;

q₄ = a_n·20 = 5136·20 = 102720.

2. Рассмотрим процесс теплопроводности через стенку.

Теплозависимость имеет следующий вид:

q₂ =

где 105 Вт/(м·К)

0,001 м.

Т.е. зависимость между q₂ и ?t₂ изображается прямой линией. Задаваясь рядом значений ?t₂ от 0 до 40, вычисляем соответствующие им величины q₂:

1050000;

1575000;

2100000;

3150000.

в) Рассмотрим процесс теплопроводности через слой накипи. Теплозависимость имеет вид:

40000

80000

Т.е. зависимость между q₃ и Дt₃ также изображается прямой линией. Задаваясь рядом значений Дt₃ от 0 до 40, вычисляем соответствующие им величины q₃.

3. Теплоотдача от стенки воде.

Скорость воды в пароводяных подогревателях, обычно составляет 1-3 м/с, движение воды турбулентное, поэтому задавшись предварительно скоростью воды щ_т воспользуемся упрощённой формулой:

9288 Вт/(м²·К) (67)

где А₅ температурный режим берется из таблицы П3 приложения по средней температуре воды А₅=3955

7

3920-7·150 = 2870

y = 7·155+2870 = 3955

9288·5 = 46440

9288·20 = 185760

Имеем теплозависимость вида

Задаваясь рядом значений от 0 до 40 , вычисляем соответствующие им величины Осуществляем построение зависимости ?t₄=f(q₄). Складывая ординаты четырех зависимостей, строим теплозависимость ??t=?f(q), которая представлена на рисунке 1 Приложения А. Из точки на оси ординат, соответствующей ?t_ср= 71,181 ^оС, проводим прямую, параллельную оси абсцисс до пересечения ее с суммарной зависимостью. Из точки пересечения опускаем перпендикуляр на ось абсцисс и находим удельное значение теплового потока:

q = 12,1528·10⁴ Вт/(м²·К)

Рисунок 1 - график зависимости теплопроводности от температуры.

Коэффициент теплопередачи составит:

1707 Вт/(м²·К) (68)

Площадь поверхности нагрева теплообменника:

65,84 м² (69)

По расчетной площади нагрева F и диаметру трубок по каталогу выбирается вертикальный пароводяной подогреватель, его технические характеристики:

Таблица 6 - технические характеристики ПСВ-90-7-15

Площадь нагрева, м2	Кол-во трубок, шт.	Высота трубок в одном ходе, м	Максимальное рабочее давление в трубной системе/корпусе, МПа
90	456	3,4	1,47/0,69

Далее уточняем скорость течения воды щ, в трубках выбранного подогревателя:

1,888 м/с (70)

Уточняем коэффициент теплоотдачи при движении воды в трубках:

14530 Вт/(м²·К) (71)

Уточняем коэффициент теплоотдачи пара:

 4010 Вт/(м²·К) (72)

где Н=3,4 м взят из таблицы характеристик теплообменника, ?t это величина отрезка а-е, которая равна 35,59 ^оС.

Уточняем коэффициент теплопередачи:

3051 Вт/(м²·К) (73)

Уточняем необходимую площадь поверхности нагрева:

36,837 м² (74)

Т.к. F= 36,837 м² < 90 м², то пароводяной подогреватель ПСВ-90-7-15 выбран верно.

Заключение

При выполнении данного курсового проекта были произведены расчеты подогревателей трех типов: горизонтального пароводяного, секционного водоводяного и вертикального пароводяного подогревателей. По каталогу выбраны их основные характеристики на основании которых выполнен чертеж в формате А1.

В ходе выполнения работы сделан вывод, что секционные водонагреватели обладают большим расходом воды. В третьей части с помощью графоаналитического метода был составлен график зависимости теплопроводности от температуры, выполненный в программе Компас, что позволило выполнить более точный расчет и выбор вертикального подогревателя.

В ходе выполнения работы были закреплены знания по основным разделам ТМО, а также приобретены и отработаны навыки применения теоретических знаний при решении теплотехнических задач.

Литература

1. Термодинамика и теплоустановки: практическое руководство к курсовой работе по одноименному курсу. /Авторы: Овсянник А.В., Тарцурин А.Б., Дробышевский Д.А. /2004.-29с.

2. Физические свойства наиболее известных химических веществ: Справочное пособие /Автор: Бобылев В.Н. / РХТУ им. Д.И.Менделеева.- М., 2003.- 23с.

Размещено на Allbest.ru