Тепломассообменное оборудование промышленных предприятий

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО  ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ВОЛОГОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

 

 

 

 

Кафедра теплогазоснабжения и вентиляции

 

 

Расчетно – пояснительная  записка к курсовому проекту 

по дисциплине:

« Тепломассообменное оборудование промышленных предприятий »

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вологда

2010

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

ВВЕДЕНИЕ           3

1. РАСЧЕТ СЕТЕВОЙ ВОДОПОДОГРЕВАТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ  4
1. Конструктивные особенности установки      4
2. Расчет пароводяного теплообменника      5
3. Расчет и подбор охладителя конденсата      9
2. РАСЧЕТ ПЛАСТИНЧАТОГО ТЕПЛООБМЕННИКА    13
1. Конструктивные особенности пластинчатых теплообменников  13
2. Расчет пластинчатого теплообменника      13

ЗАКЛЮЧЕНИЕ          19

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ     20

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Теплообменными аппаратами (теплообменниками) называются устройства, предназначенные для передачи теплоты от одного теплоносителя к другому. В качестве теплоносителей в них используют пар, горячую воду, дымовые газы и другие тела.

По принципу действия и конструктивному  оформлению теплообменники разделяются на рекуперативные, регенеративные и смесительные.

В рекуперативных теплообменниках  теплопередача от греющего теплоносителя  к нагреваемому происходит через разделяющую их твердую стенку, например стенку трубы. Процесс теплообмена в них протекает обычно при стационарном режиме.

В зависимости от взаимного направления  движения теплоносителей теплообменники этого типа подразделяются на противоточные, прямоточные и перекрестные. Если теплоносители движутся в противоположном направлении, то теплообменники называются противоточными; при движении теплоносителей в одном направлении - прямоточными; наконец, если теплоносители движутся в перекрестном направлении - перекрестными.

К числу рекуперативных теплообменников  относятся паровые котлы, водонагреватели, приборы системы центрального отопления и др.

В регенеративных теплообменниках процесс теплообмена происходит в условиях нестационарного режима. В этих теплообменниках поверхность нагрева представляет собой специальную насадку из кирпича, металла или другого материала, которая сначала аккумулирует теплоту, а затем отдает ее нагреваемому теплоносителю.

В смесительных теплообменниках процесс  теплообмена осуществляется при непосредственном соприкосновении и перемешивании теплоносителей. Примерами такого теплообменника являются башенный охладитель (градирня), предназначенный для охлаждения воды воздухом.

Рекуперативные и регенеративные теплообменники называют поверхностными, поскольку теплопередача в них связана с поверхностью нагрева или охлаждения, а смесительные — контактными.

В данной курсовой работе необходимо разработать технический проект водоподогревательной сетевой установки для производственной паровой котельной (определение расходов нагреваемой сетевой воды и греющего пара; определение количества пароводяных подогревателей и их расчет; выбор типоразмера и расчет охладителей конденсата). Кроме того, выполнить расчет для пластинчатого теплообменника фирмы «Альфа-Лаваль».

 

 

1. РАСЧЕТ СЕТЕВОЙ ВОДОПОДОГРЕВАТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

 

1.1 Конструктивные особенности установки

 

В различных отраслях промышленности, на транспорте, в энергетических установках и в специальных установках новой  техники применяется огромное количество разнообразных теплообменных аппаратов. Наиболее широкое распространение  получили кожухотрубные теплообменники в настоящее время, которые являются не только индивидуальными аппаратами, но и элементами различных теплообменных (выпарных, ректификационных, холодильных) установках. Диапазон рабочих температур и давлений данных теплообменников широк. Теплопередающая поверхность аппаратов может составлять от нескольких сотен квадратных сантиметров до нескольких тысяч квадратных метров. Трубчатые элементы представляют собой прямые или изогнутые трубы наружным диаметром d_нар=12÷57 мм. Площадь проходного сечения труб в два, три раза меньше площади сечения межтрубного пространства. Для увеличения скорости теплоносителя и повышения эффективности теплообмена в межтрубном пространстве устанавливают перегородки двух видов: опор -  полок (при проектировании теплообменника по ОСТ) и опор - сегментов (по ГОСТ). В кожухотрубных секционных теплообменниках такие перегородки применяются  также для удаления прогиба трубок. Наиболее часто применяются латунные трубки внутренним диаметром d_вн=14мм гладкие или профилированные, которые обеспечивают турбулизацию потока, что ведет к увеличению коэффициента теплоотдачи.

В зависимости  от теплоносителя водоподготовительные установки делятся на водоводяные и пароводяные теплообменники.

В пароводяных  теплообменниках нагреваемой средой является вода, а греющей – пар, который конденсируется в межтрубном пространстве. Температура пара обычно принимается 120-150 ⁰С. Конденсат с аналогичной температурой поступает в охладитель конденсат, который представляет собой водоводяной теплообменник. При равных расходах теплоносителей с одинаковыми фазовыми состояниями коэффициент теплоотдачи на поверхности межтрубного пространства невысок, что снижает общий коэффициент теплопередачи в аппарате. Теплообменники с поперечным током отличается повышенным коэффициентом теплопередачи на наружной поверхности труб вследствие того, что теплоноситель движется поперек трубного пучка и имеет отностельно повышенную скорость. Таким же преимуществом обладают теплообменники с противотоком.

В пароводяных  теплообменниках разность температур стенок корпуса и труб бывает значительной. Рабочая длина труб в аппарате принимается равно 1м и 4м. Последняя рекомендуется с производительностью до 300м².

 

1.2 Расчет  пароводяного теплообменника

 

1.2.1 Исходные  данные

 

В данном курсовом проекте требуется сделать расчет и подбор пароводяного подогревателя, исходя из следующих данных:

• Производительность установки Q_ВПСУ = 11 ГДж/ч
• Максимальная температура пара t_пар= 121 ⁰С
• Максимальная температура воды на выходе из пароводяного подогревателя

t_н2 = 111 ⁰С

• Максимальная температура конденсата на входе в охладитель конденсата

t_г1 = 121 ⁰С

• Максимальная температура конденсата на выходе из охладителя конденсата

t_г2 = 95⁰С

• Температура нагреваемой воды на входе в водоподогревательную установку

t_н1 = 70⁰С

По заданию сетевая водоподогревательная установка состоит из двух блоков, в состав которых входят пароводяной  теплообменник и охладитель пара.

 

1.2.2 Принципиальная схема сетевой  водоподогревательной установки

Рис.1 Принципиальная схема сетевой водоподогревательной установки

ПВП – пароводяной подогреватель;

ОК  – охладитель конденсата;

КО  – конденсатоотводчик.

Производим расчет одного блока, производительность которого определяется по формуле:                                                   ,                                         (1.1)

где Q_ВПСУ – производительность установок, ГДж/ч;

Расход  нагреваемой воды G₂ находим по формуле:

,   (1.2)

где Q_бл – теплопроизводительность блока, ГДж/ч;

c – теплоемкость, кДж/кг⁰С;

t_н1, t_н2 – температура воды на входе и выходе из подогревателя.

Теплопроизводительность пароводяного подогревателя Q_ПВП  определяется по формуле:

,   (1.3)

где Q_бл – теплопроизводительность блока, ГДж/ч;

r – удельная теплота парообразования, r=525,4 ккал/кг;

t_пар – температура пара, ⁰С;

t_г2 – температура конденсата на выходе из охладителя конденсата, ⁰С.

Расход пара G₁ определяется по формуле:

   (1.4)

Теплопроизводительность охладителя конденсата Q_ок определяем по уравнению:

,  (1.5)

где Q_бл – теплопроизводительность блока, ГДж/ч;

Q_ПВП – теплопроизводительность подогревателя, ГДж/ч;

Температура нагреваемой воды в  точке между охладителем конденсата и пароводяным подогревателем t_пром определяется по формуле:

,   (1.6)

где t_н1 – температура нагреваемой воды  на входе в водоподогреватель, ⁰С;

G₂ - расход нагреваемой воды, т/ч;

Q_ок – теплопроизводительность охладителя конденсата, ГДж/ч;

c – теплоемкость, кДж/кг⁰С;

Выбор типоразмера пароводяного подогревателя  производим по расчетной площади  сечения трубок, определяемой из формулы расхода воды:

,     (1.7)

где G₂ - расход нагреваемой воды, т/ч;

ω₂ – скорость нагреваемой воды, м/c;

ρ₂ – плотность нагреваемой воды, кг/м³;

Плотность определяется, исходя из выражения:

,    (1.8)

где - средняя температура воды, ⁰С.

    (1.9)

Из формулы (1.7) выражаем , принимая скорость нагреваемой воды ω₂ = 1 м/с

По таблице технических характеристик  горизонтальных пароводяных подогревателей по ОСТ 108.271.105 – 76 выбираем подогреватель  ПП1 – 32– 7 – IV со следующими характеристиками:

1. Диаметр корпуса D_корп = 530 мм;
2. Число ходов z = 4;
3. Длина трубок L = 3000 мм;
4. Число трубок N_труб = 232;
5. Площадь нагрева F_нагр = 32,0 м²;
6. Площадь трубок = 0,0090 м²;
7. Площадь межтрубного пространства = 0,162 м².

Используя табличные значения выполним пересчет скорости воды из формулы (1.7), м/c:

Находим коэффициент теплопередачи  при турбулентном движении воды внутри трубок:

, (1.10)

где ω₂ – скорость нагреваемой воды, м/c;

- средняя температура воды, ⁰С,

d_вн – внутренний диаметр трубок, м.

Коэффициент теплоотдачи от пара к  стенке определяется по формуле:

,    (1.11)

где t_пл – температура пленки, ⁰С, определяем по уравнению

,

где t_пар – температура пара, ⁰С;

t_ст – температура стенки, определяемая по формуле:

,

где t_нас – температура насыщенного пара, ⁰С;

- температурный напор, ⁰С, определяемый:

где и определяем по температурному графику

Рис. 2 График температур

Подставляя полученные данные в  формулу (1.11), найдем коэффициент теплоотдачи  от пара к стенке

Расчетный коэффициент теплопередачи  определяется по формуле для плоской  стенки:

,      (1.12)

где α₁, α₂ – коэффициенты теплоотдачи от пара к стенке и от стенке к нагреваемой воде, ;

δ_ст, δ_нак – толщина стенки и толщина слоя накипи, м;

λ_ст, λ_нак – коэффициенты теплопроводности для стенок труб и накипи, .

Уточненное значение температуры  стенок трубок

Поскольку уточненное значение мало отличается от принятого для предварительного расчета, то пересчета величины коэффициента теплоотдачи от пара к стенке не производим.

Расчетная поверхность  нагрева определяется по формуле, м²:

,       (1.13)

где Q_ПВП – теплопроизводительность подогревателя, ГДж/ч;

k – коэффициент теплопередачи, ;

Δt – температурный напор, ⁰С.

Тогда расчетная площадь нагрева  равна:

Так как расчетная площадь нагрева  меньше площади нагрева теплообменника, значит подбор теплообменника сделан верно с запасом по нагреваемой  поверхности.