Расчет и проектировани теплообменных аппаратов

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ 
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ 
«МУРМАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

 

Оценка: _____________   “___” __________2012 г.

Кафедра судовых энергетических установок

 

Курсовой проект

Дисциплина  «Теоретические основы теплотехники»

 

 

Тема: «РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ

ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ»

 

 

ЭП-301(1)

 

Выполнил:

студент группы ЭП- 301(1)

Акимов П.С.

Сдал: «___»   __________2012 г.

___________________ 
^{(подпись)}

 

Проверил:

доцент кафедры СЭУ

Петров А.И.

 

 

 

 

 

Мурманск

2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

Исходное задание на расчет курсового проекта

 

Необходимо произвести тепловой и конструктивный расчет отопительного пароводяного подогревателя горизонтального типа и секционного водоводяного подогревателя производительностью Q = 0,233*10⁶ Вт (Q=0,2*10⁶ ккал/час). Температура нагреваемой воды при входе в подогреватель t₂’= 75°С и при выходе t₂’’ = 95°С. Температура сетевой воды при входе в водоводяной подогреватель t₁’ = 140°C и при выходе t₁’’ = 80°C. Влияние загрязнения поверхности нагрева подогревателя и снижение коэффициента теплопередачи при низких температурах воды учесть понижающим коэффициентом b=0,65.

 

Для расчета отопительного пароводяного подогревателя приняты следующие дополнительные данные:

• давление сухого насыщенного водяного пара р = 4,0 ат ,t_н = 142,9°С ([1],стр. 425,приложение 5);
• температура конденсата, выходящего из подогревателя, t_к = t_н;
• число ходов воды z = 2;
• поверхность нагрева выполнена из латунных труб (l = 105 ; l=90 ;) диаметром d_внутр = 14 мм, d_наруж = 16мм.

Загрязнение поверхности  учесть дополнительным тепловым сопротивлением d_з/l_з =    ( )

В обоих вариантах скорость воды w_т (в трубках) принять по возможности близкой к 0,9 м/сек.

Для упрощения расчета  принять r_в = 1000 кг/м³.

На основе расчетов выбрать  аппараты, выпускаемые серийно, и  сделать сопоставление полученных результатов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Часть первая

ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ

 

1.1 Классификация теплообменных  аппаратов

 

Теплообменники — это  устройства, в которых теплота  переходит от одной среды к  другой.

Теплообмен между теплоносителями  является одним из наиболее важных и часто используемых в технике процессов. Например, получение пара заданных параметров в современном парогенераторе основано на процессе передачи теплоты от одного теплоносителя к другому. В конденсаторах и градирнях тепловых электростанций, воздухоподогревателях доменных печей и многочисленных теплообменных устройствах химической промышленности основным рабочим процессом является процесс теплообмена между теплоносителями. По принципу действия теплообменные аппараты могут быть разделены на рекуперативные, регенеративные и смесительные. Выделяются еще теплообменные устройства, в которых нагрев или охлаждение теплоносителя осуществляется за счет внутренних источников тепла.

Рекуперативные теплообменные  аппараты представляют собой устройства, в которых две жидкости с различными температурами текут в пространстве, разделенном твердой стенкой. Теплообмен происходит за счет конвекции и теплопроводности стенки, а если хоть одна из жидкостей является излучающим газом, то и за счет теплового излучения. Примером таких аппаратов - являются парогенераторы, подогреватели, конденсаторы, выпарные аппараты и др.

Регенераторы—такие теплообменные  аппараты, в которых одна и та же поверхность нагрева через  определенные промежутки времени омывается  то горячей, то холодной жидкостью. Сначала поверхность регенератора отбирает теплоту от горячей жидкости и нагревается, затем поверхность регенератора отдает энергию 'холодной жидкости. Таким образом, в регенераторах теплообмен всегда происходит в нестационарных условиях, тогда как рекуперативные теплообменные аппараты большей частью работают в стационарном режиме. Типичным примером регенеративных аппаратов являются воздухоподогреватели мартеновских и доменных печей.

Так как в регенеративных и рекуперативных аппаратах процесс  передачи теплоты неизбежно связан с поверхностью твердого тела, то их еще называют поверхностными.

В смесительных аппаратах  теплопередача осуществляется при  непосредственном контакте и смешении горячей и холодной жидкостей. Типичным примером таких теплообменников являются градирни тепловых электрических станций. В градирнях вода охлаждается атмосферным воздухом. Воздух непосредственно соприкасается с водой и перемешивается с паром, возникающим из-за частичного испарения воды. В этом процессе объединяются тепло- и массообмен.

В теплообменниках с внутренними  источниками энергии применяются  не два, как обычно, а один теплоноситель, который отводит теплоту, выделенную в самом аппарате. Примером таких  аппаратов могут служить ядерные  реакторы, электронагреватели и другие устройства. Независимо от принципа действия теплообменные аппараты, применяющиеся в различных областях техники, как правило, имеют свои специальные названия. Эти названия определяются технологическим назначением и конструктивными особенностями теплообменных устройств. Однако с теплотехнической точки зрения все аппараты имеют одно назначение—передачу теплоты от одного теплоносителя к другому или поверхности твердого тела к движущимся теплоносителям.

В различных отраслях промышленности, на транспорте, в энергетических установках и в специальных установках новой техники применяется огромное количество разнообразных теплообменных аппаратов. Особенно велико типовое многообразие теплообменников, применяемых в химической промышленности. На рис. 1 показана схема классификации теплообменных аппаратов химических производств по конструктивным признакам.

Наиболее широкое распространение  в промышленных установках получили кожухотрубчатые рекуперативные теплообменники. Они могут работать в широком диапазоне температур и давлений и применяются как в качестве индивидуальных аппаратов, так и в виде элементов различных теплообменных (выпарных, ректификационных, холодильных) установок.

Ha рис. 2 показаны основные типы кожухотрубчатых теплообменников.

В настоящее время разработано  большое число теплообменников, поверхность теплообмена которых выполнена из листовой стали — гофрированных пластин. Эти теплообменники очень компактны и по технико-экономическим, а для разборных конструкций и по эксплуатационным показателям превосходят лучшие теплообменниии, изготовленные из труб. Однако они пока еще не могут работать в области высоких температур и давлений, поэтому в настоящее время их применяют при давлениях до 16 ат и температурах до 150° С для разборных аппаратов (между пластинами которых укладываются уплотнительные прокладки) и до 400° С для неразборных аппаратов (уплотнение пластин в которых достигается сваркой). Разборные теплообменники из гофрированных пластин выпускаются серийно Уралхиммашем (на давление до 6 ат и температуру от —20 до +120° С) с поверхностью нагрева от 3 до 160 м² в одном аппарате.

Неразборные пластинчатые теплообменники разработаны на рабочее давление до 20 ат и температуру до 400 °С. Компактные теплообменники (рис. 3-д) разработаны на давление до 16 ат и температуру до 400 °С. Сотовые теплообменники, выполненные из профильного листа, могут применяться до 64 ат и 600° С. Пластинчаторебристые теплообменники очень компактны, но они сложны в изготовлении и неудобны в эксплуатации вследствие быстрого загрязнения поверхности теплообмена. Аппараты, поверхность теплообмена которых выполнена из неметаллических материалов, предназначены для работы с жидкостями, парами и газами, высокоагрессивными по отношению к металлам. Аппараты из непроницаемого графита и графитопласта выпускает Новочеркасский электродный завод. В 1966 г. введен в действие единый каталог на графитовую теплообменную аппаратуру. Температурный предел применения непроницаемого графита составляет 150—180 °С, а графитовых пластин до 130 °C, рабочее давление 3 ат, поверхность теплообмена в одном аппарате блочного типа—до 20 м².

Кроме рассмотренных, применяется  большое количество аппаратов с  поверхностью теплообмена, изготовленной из оребренных труб (рис. 3).

 

 

Рис 1. Классификация  теплообменников

Рис. 2. Типы кожухотрубчатых теплообменников.

а—с жестким креплением трубных решеток; б—с обсаженными трубками; в—с линзовым компенсатором на корпусе; г — с U-образными трубками; д — с подвижной решеткой закрытого типа; е—с подвижной решеткой открытого типа; ж—с сальником на штуцере; з—с сальниковым уплотнением на корпусе.

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 3. Теплообменники из оребренных труб и гофрированных пластин и их отдельные элементы.

а—из гофрированных пластин; б — чугунная труба с круглыми ребрами; в — пластинчатый со сплюснутыми трубками; г — трубка со спиральным оребрением; д — элемент компактного теплообменника из профильных гофрированных пластин; е—чугунная трубка с внутренним оребрением; ж — труба с плавниковым оребрением; з — трубка с проволочным (биспиральным) оребрением; и — многоребристая трубка; к — чугунная труба с двусторонним игольчатым оребрением; л — трубка с продольным оребрением.

 

 

1.2 Расчет пароводяного подогревателя.

 

Исходные данные:

Температура нагреваемой воды при входе в подогреватель t₂^/= 75 °С, давление сухого насыщенного водяного пара р= 4 ат (t_н= 142,9 °С); мощность Q=0,2*10⁶ ккал/час (Q=0,233*10⁶ Вт)

 

Расчет:

Расход воды определяем по формуле ( теплоемкость воды "с" упрощенно с=1 ккал/кг,( с=4.19 кДж/кг))

10000  (кг/ч)

или V =10 м³/ч.

Число трубок в одном ходе:

(шт.)

где d_в – внутренний диаметр теплообменных труб (из дополнительных данных).

Общее число трубок в корпусе:

(шт.)

 

Рисунок 1 – Размещение трубок в трубной решетке трубчатого подогревателя:

а –  по вершинам равносторонних треугольников;

б – по концентрическим  окружностям.

 

Принимая шаг трубок (s@1.5d_Н) s = 25 мм, угол между осями трубной системы a = 60° и коэффициент использования трубной решетки Y = 0,7, определим диаметр корпуса:

(м) = 189 (мм)

 

Определим также диаметр корпуса  по Таблице 1.5 Приложения 1 и Рисунку 1 при ромбическом размещении трубок.

Для числа трубок n = 36 находим в Таблице 1.5 значение D’/s = 6 и, следовательно, D’ = 6·25 = 150(мм).

Диаметр корпуса составит:

D = D’+d_н+2k=150+16+2·20=206 (мм), где d_Н –наружный диаметр трубки,

где k – "зазор" между периферийной трубкой и диаметром корпуса

k » (0,8-1)s

Приведенное число трубок в вертикальном ряду:

(шт.)

 

Определим коэффициент теплоотдачи a_п от пара к стенке.

Температурный напор:

(°С)

Средние температуры воды и стенки:

(°С)

(°С)

Режим течения пленки конденсата определяем по приведенной длине трубки (критерий Григулля) для горизонтального подогревателя, равной:

,

где m – приведенное число трубок в вертикальном ряду, шт.;

      d_н – наружный диаметр трубок, м;

      А₁ – температурный множитель, значение которого выбирается по таблице 1:

(°С)

(1/(м·град))

При t_н = 142,9°С имеем A₁  = 97,8 (1/(м·град), тогда L = 6·0,016·28,7·97,8 = 270, т. е. меньше величины L_кр = 3900 (для горизонтальных труб), следовательно, режим течения пленки ламинарный.

Для этого режима коэффициент теплоотдачи  от пара к стенке на горизонтальных трубках может быть определен по преобразованной формуле Д. А. Лабунцова:

 

При t_н = 142,9°С по таблице 1 находим множитель A₂ = 8243, тогда:

(ккал/(м²·ч·град)) ,  7411 .

 

Определяем коэффициент  теплоотдачи от стенки к воде:

Режим течения воды в трубках  турбулентный, так как:

,

где n – коэффициент кинематической вязкости воды (по справочнику); n = 0,3331·10^-6м²/c при средней температуре воды t = 85,6°С ([2],стр. 321, табл П-4).

 

Таблица 1. Значения температурных  множителей в формулах для определения  коэффициентов теплоотдачи

Конденсирующийся пар					Вода при турбулентном движении
Температу-ра насыщения, tн, °С	A1	А2	А3	A4·103	Температура t, оС	A5
70	27,1	–	–	4,91	70	2490
80	34,5	7225	10439	5,68	80	2616
90	42,7	7470	10835	6,48	90	2740
100	51,5	7674	11205	7,30	100	2850
110	60,7	7855	11524	8,08	110	2957
120	70,3	8020	11809	8,90	120	3056
130	82,0	8140	12039	9,85	130	3150
140	94,0	8220	12249	10,8	140	3235
150	107	8300	12375	11,8	150	3312
160	122	8340	12469	12,9	160	3385