Курсовая работа: Конструктивный тепловой расчёт вертикального пароводяного подогревателя со свободной нижней решёткой

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Задание

Произвести конструктивный тепловой расчёт четырёхходового вертикального пароводяного подогревателя со свободной нижней решёткой. Производительность . Параметры греющего пара: абсолютное давление , температура (параметры насыщения определяются по давлению). Температура нагреваемой воды на входе в ТО , на выходе из ТО . Поверхность нагрева выполнена из латунных трубок диаметром . Вода проходит через трубки, а пар поступает в межтрубное пространство. Высота трубок в одном ходе ; толщина накипи . Коэффициент, учитывающий потери тепла в окружающую среду . По расчётам выбрать тепловой аппарат и выполнить поверочный расчёт.

Содержание

Введение

1. Описание теплообменного аппарата

2. Тепловой конструктивный расчет

2.1 Расходы теплоносителей

2.2 Температурный напор

2.3 Теплопередача при конденсации

2.4 Теплопередача при движении жидкости по трубам

2.5 Коэффициент теплопередачи

2.6 Компоновочный расчет

2.7 Определение диаметров подвода теплоносителя

3. Гидравлический расчет

3.1 Расчет гидравлического сопротивления на преодоление сил трения

3.2 Расчет местных сопротивлений

3.3 Расчет мощности на перемещение нагреваемой воды через аппарат (мощность на валу насоса)

4. Механический расчет

4.1 Расчет на прочность корпуса

4.2 Расчет на прочность трубок

4.3 Расчет днищ и крышек

4.4 Расчет укрепления отверстий

4.5 Расчет трубных решеток

4.6 Расчет фланцевых соединений

5. Расчет тепловой изоляции

5.1 Выбор материала тепловой изоляции

5.2 Расчет толщины основного слоя тепловой изоляции

6. Поверочный расчет

7. Контрольно-измерительные и регулирующие приборы

8. Требование Ростехнадзора

Заключение

Библиографический список

Введение

Кожухотрубные теплообменники относятся к поверхностным теплообменным аппаратам рекуперативного типа. Широкое распространение этих аппаратов обусловлено прежде всего надежностью конструкции и большим набором вариантов исполнения для различных условий эксплуатации.

Кожухотрубный теплообменный аппарат представляет из себя пучок теплообменных труб, находящихся в цилиндрическом корпусе (кожухе). Один из теплоносителей движется внутри теплообменных труб, а другой омывает наружную поверхность труб. Концы труб закрепляются с помощью вальцовки, сварки или пайки в трубных решетках. В кожух теплообменного аппарата с помощью дистанционных трубок устанавливаются перегородки. Перегородки поддерживают трубы от провисания и организуют поток теплоносителя в межтрубном пространстве, интенсифицируя теплообмен.

К кожуху теплообменного аппарата привариваются штуцеры для входа и выхода теплоносителя из межтрубного пространства. На входе теплоносителя в межтрубное пространство в ряде случаев устанавливают отбойники, необходимые для уменьшения вибрации пучка труб, равномерного распределения потока теплоносителя в межтрубном пространстве и снижения эррозии ближайших к входному штуцеру труб. К кожуху теплообменного аппарата с помощью фланцевого соединения крепятся распределительная камера и задняя крышка со штуцерами для входа и выхода продукта из трубного пространства.

В зависимости от расположения теплообменных труб различают теплообменные аппараты горизонтального и вертикального типа.

1. Описание теплообменного аппарата

Для конденсации насыщенного пара в системах теплоснабжения используются вертикальные теплообменные аппараты .

Горячим теплоносителем является водяной пар с рабочим давлением 2*10⁵Па=0,25 МПа. Холодным теплоносителем является , предположительно, сетевая вода с температурным графиком 115/70.Следовательно, принимаем аппарат типа ПСВ- подогреватель сетевой воды вертикальный.

Подогреватели сетевой воды (ПСВ) устанавливаются в схеме теплоснабжения и предназначены для подогрева сетевой воды на тепловых электростанциях паром из отборов турбин, а в отопительно-производственных и отопительных котельных - паром котлов низкого давления.

Подогреватель сетевой воды (далее по тексту ПСВ) выполнен в виде кожухотрубного теплообменника, имеющего следующие узлы: корпус с обечайкой, нижнюю и верхнюю водяные камеры, а также трубную систему (трубный пучок). Номенклатура см. http://heat.sarzem.ru/psv.html.

Корпус ПСВ состоит из обечайки цилиндрической формы, днища, имеющего форму эллипса, и фланца, с помощью которого осуществляется подсоединение трубной системы.

ПСВ имеет специальный патрубок для подвода пара вверху обечайки.

Также имеются патрубки: подвода конденсата, отсоса воздуха и соединения с датчиком регулятора уровня, а также с указателем уровня. В днище подогреватель сетевой воды имеет приваренный фланец для выхода конденсата и патрубок для соответствующего регулятора уровня.

Внутри ПСВ использует трубный пучок (трубную систему), который состоит из каркаса, пары трубных досок (решеток), теплообменных трубок с развальцованными концами. Каркас трубного пучка подогревателя сетевой воды состоит из поперечных перегородок, направляющих пар и служащих промежуточными опорами для трубок теплообменника. Также подогреватель сетевой воды оснащён щитом, который защищает трубный пучок от действия пара.

ПСВ имеет верхнюю водяную камеру, состоящую из трубы, к которой подсоединено днище (вверху), и приваренного фланца, осуществляющего соединение с трубной системой и корпусом самого теплообменника (внизу). Водяная камера оснащена патрубками подвода/отвода конденсата. Внутри камера подогревателя сетевой воды поделена на секторы специальными перегородками. Это позволяет воде проходить заданное число ходов. Состав нижней водяной камеры - это днище и фланец, соединяющий с трубной системой. В днище подогреватель сетевой воды имеет муфту, предназначенную для слива воды.

В подогревателе (схема представлена на рис.1) сетевая вода движется в трубках, а греющий пар поступает через пароподводящий патрубок в межтрубное пространство.

Конденсат пара стекает в нижнюю часть корпуса и отводится из подогревателя через регулирующий клапан.

пароводяной подогреватель теплоснабжение

Рис. 1 Схема включения подогревателя ПСВ

Механизм автоматического регулирования конденсата поддерживает рабочий уровень конденсата в подогревателе, выпускает лишний конденсат в дренаж и препятствует выходу пара из подогревателя.

Накапливающиеся в подогревателях сетевой воды неконденсирующиеся газы и воздух отводятся через штуцер на корпусе подогревателя.

Температура сетевой воды на входе в подогреватель и ее подогрев изменяются в зависимости от температурного режима теплосети и режима работы установки. Соответственно в процессе эксплуатации изменяется и температура трубок поверхности нагрева подогревателя. Корпус подогревателя при работе приобретает температуру, близкую к температуре насыщения греющего пара отбора, которая всегда выше температуры сетевой воды. В результате возникает переменная разность температур между корпусом и трубками подогревателя, которая максимально может достигать 20Ї30 °С.

Рис.2 Конструкция аппарата , подлежащая расчету

Нижнюю водяную камеру принято называть плавающей водяной камерой; ее вертикальные перемещения компенсируют разность температурных удлинений трубок и корпуса подогревателя и тем самым исключают появление в трубках компенсационных усилий и напряжений (рис.2) Для компенсации нагрузки на трубные доски, вызванной разностью давлений сетевой воды и греющего пара, используются шесть анкерных связей, соединяющих трубные доски с крышками водяных камер. Корпус подогревателя в месте приварки парового патрубка усиливается накладкой.

Для предохранения трубного пучка от воздействия динамического напора потока пара и эрозии их каплями воды, поступающими с влажным паром из отбора турбины, а также для увеличения периметра натекания пара в трубный пучок служит пароотбойный щиток, устанавливаемый в месте ввода греющего пара. На патрубках отвода греющего пара, а также подвода и отвода сетевой воды устанавливаются гильзы для манометров, а на паровом патрубке имеется штуцер для присоединения манометра. В нижней части корпуса подогревателя устанавливается водоуказательное стекло для измерения уровня конденсата. Рядом с ним имеется штуцер для присоединения импульсного устройства для автоматического регулирования уровня конденсата в подогревателе.

Верхняя водяная камера снабжается перегородкой, обеспечивающей двухходовое движение воды в подогревателе. Нижняя водяная камера выполняет функцию поворотной.

Поперечное обтекание паром трубного пучка обеспечивается установкой горизонтальных направляющих сегментных перегородок , каждая из которых перекрывает немного более половины площади горизонтального сечения корпуса подогревателя. Общее количество горизонтальных перегородок по высоте корпуса подогревателя определяется на основе теплового и вибрационного расчетов и может достигать шести. Горизонтальные перегородки и вертикальный пароотбойный щиток крепятся электросваркой на шести каркасных трубах, соединяющих верхнюю и нижнюю трубные доски.

2. Тепловой конструктивный расчет

Решим уравнение теплового баланса и теплопередачи:

Q₁?з=Q ₂ ; Q=Q ₂= k •F ?Дt

или с другой стороны Q₂=G ₂C _{p 2}•(t'₂-t"₂);

где Q₁ -количество теплоты, отданное паром;

Q₂ -количество тепла, воспринятое нагреваемым теплоносителем (водой)

з (КПД) =0,98

k -коэффициент теплопередачи для плоской стенки, Вт/(м²°С);

F -поверхность теплообмена, м²;

?t - среднелогарифмический температурный напор, °С

с - удельная изобарная теплоемкость нагреваемого теплоносителя

Давление водяного пара на входе в аппарат P₁ = 0,25МПа

Температура насыщения (t_s) равна 127,43 °С127?.

Так как температура пара на входе в аппарат t=140? ,то водяной пар подается в аппарат перегретым и перед конденсацией охлаждается до температуры насыщения.

При конденсации перегретого пара температура его у стенки постепенно снижается от зоны перегретого пара с t_пер до температуры насыщенного пара в зоне конденсации t_s. В пристеночной области конденсируется насыщенный пар. Конденсируясь , перегретый пар передает конденсату теплоту парообразования r и теплоту перегрева Коэффициенты теплоотдачи перегретого пара ниже, чем для насыщенного пара, тепловой поток немного выше и принимается как для насыщенного пара.

Источник: https://studizba.com/lectures/129-inzhenerija/1895-lekcii-po-teplomassoobmenu/36964-21-teploobmen-pri-kondensacii-para.html © СтудИзба

Энтальпия пара на входе в ПСВ при t=140?, P₁ = 0,25МПа

h₁'' = 2743,71 кДж/кг

Энтальпия конденсата на выходе из ПСВ при t_s =127,43?,

h₁' = 535,39 кДж/кг

Найдем среднюю температуру воды:

t_ср2=0,5•(t'₂+t"₂)=0,5•(72+115)=93,5°С.

При этом ее плотность ₂ =963,2 кг/м³

2.1 Расходы теплоносителей

Теплоемкость воды принимаем с=4,187 кДж/(кг°С) ;

Количество передаваемой теплоты: Q₂=V ₂₂C _{p 2}•(t"₂- t'₂);

· Отсюда расход нагреваемой воды составляет:

· Расход греющего пара

2.2 Температурный напор

Рис.3 Характер изменения температур теплоносителей

Определяем среднелогарифмический температурный напор:

где ?t_б=t_s-t₂^' =127-72=55°С- большая разность температур

?t_м=t_s-t₂ =127-115=12°С- меньшая разность температур

2.3 Теплопередача при конденсации

Для расчета коэффициента теплопередачи к внешней поверхности трубки при конденсации пара необходимо знать температуру внешней поверхности стенки t_с1 и высоту трубки Н. Так, как значения этих величин неизвестны, то проводим расчет методом последовательных приближений.

В первом приближении задаемся:

t_с1 =t_s-(Дt /2)= 127,43-(28,24/2)=113,31°С

Кроме того, задаемся высотой трубок: Н=3,4 м.

Приведенная длина трубки: Z=?t_c1HA

где ?t_c1=t_s-t_с1=127,43-113,31=14,12°С.

При t_s=127°C по табл. 8-1 (Е.А.Краснощеков, А.С. Сукомел «Задачник по теплопередаче», стр.159) находим:

А = 79 1/м°С; В = 8,26 ·10^-3 м/Вт;

Z = 14,12·3,4·79 = 3792,63?2300

Так как значение приведенной длины больше критического, то режим течения пленки конденсата в нижней части трубы турбулентный.

Коэффициент теплоотдачи со стороны горячего теплоносителя можно определить по следующей формуле:

б₁= Re₁/(?t_c1•HB)

где Re₁ =[ 253+0,069 •(Pr /Pr _c1) ^0,25 •Pr ^0,5 •(Z-2300)] ^{4 /3}

где Pr и Pr_c - числа Прандтля для конденсата соответственно при t_s и t_c1

При: t_s = 127,43°C Pr = 1,39

t_c1 = 113,31 °C Pr_c1 = 1,56

Re ₁=[ 253+0,069 •(1,39 /1,56) ^0,25 •1,39 ^0,5 •(3792,63-2300)] ^{4 /3} =2665,56

б₁= 2665,56/(14,12•3,4 •8,26·10^-3)=6722 Вт/(м²°С)

2.4 Теплопередача при движении жидкости по трубам

Коэффициент теплоотдачи со сторон холодного теплоносителя можно определить по следующей формуле:

б₂= Nu_ж1 ?л _ж1/d _в

Заданные размеры труб подогревателя: d_в/d_н=18/20мм

Физические свойства нагреваемой воды при t_ср2=93,5С:

н₂ = 0,306·10^-6 м²/с; с₂ = 963,2 кг/м³; л₂ = 68,1·10^-2 Вт/(м°С) ; Pr₂ = 1,88.

Выбираем скорость теплоносителя: маловязкие жидкости и вода W = 1 ч 3м/с.