Курсовая работа (т): Проект водонагревательной установки непрерывного действия

Проект водонагревательной установки непрерывного действия

Министерство образования и науки Российской Федерации

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра теплоэнергетики

Допускаю к защите

Руководитель__________ В.М. Картавская

Проект водонагревательной установки непрерывного действия

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому проекту по дисциплине

Тепломассообменное оборудование предприятий

.007.00.00.ПЗ

Выполнил студент группы ТЭ-10-1 _______ А.Ю. Голубев

Нормоконтроль _______ В.М.Картавская

Иркутск 2013г.

Министерство образования и науки Российской Федерации

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ЗАДАНИЕ

НА КУРСОВОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ

По курсу Тепломассообменное оборудование предприятий

Студенту гр. ТЭ-10-1 Голубеву А.Ю.

Тема проекта Проект водонагревательной установки непрерывного действия. Вариант 7.

Исходные данные: Греющий теплоноситель - сухой насыщенный пар: давление P1=0,7 МПа; температура конденсата t1к=tн=164,95 оС. Нагреваемый теплоноситель - вода: расход G2=40 кг/с; температура начальная t2н=40 оС; температура конечная t2к=150 оС. Вода - в трубах, пар - в межтрубном пространстве. Расположение труб - вертикальное.

Рекомендуемая литература:

. Основные процессы и аппараты химической технологии: пособие по проектированию/ под ред. Ю.И. Дытнерского. - М.: Альянс, 2008. - 493 с.

. Александров А.А., Григорьев Б.А. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара: справочник. - М.: Издательский дом МЭИ. 2006. - 168 с.

. Лебедев П.Д. Теплообменные, сушильные и холодильные установки: учебник. - М.: Энергия. 1972. - 317 с.

. Лебедев П.Д., Щукин А.А. Теплоиспользующие установки промышленных предприятий (курсовое проектирование): учеб. пособие. - М.: Энергия. 1970. - 407 с.

. СНиП 2.04.14-88*. Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов. - М: ГУП ЦПП, 2004. - 28 с.

. Тепломассообменное оборудование для промышленных установок и систем теплоснабжения. Промышленный каталог [Электронный ресурс]. - М.:ФГУП ВНИИАМ, 2004.

Графическая часть на 3 листах формата А 4 в ПЗ.

Дата выдачи задания " 22 " февраля 2013г.

Дата представления проекта руководителю " 15 " апреля 2013г.

Руководитель курсового проектирования

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

. Расчет тепловой нагрузки аппарата

. Расчет теплового баланса аппарата

. Определение среднего температурного напора

. Приближенная оценка коэффициентов теплоотдачи, теплопередачи и поверхности нагрева

. Выбор кожухотрубчатого теплообменника из стандартного ряда

. Выбор пластинчатого теплообменника из стандартного ряда

. Гидравлический расчет кожухотрубчатого теплообменника и выбор насосов

. Расчет тепловой изоляции теплообменника

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ВВЕДЕНИЕ

В данном проекте рассматриваются два вида теплообменников.

Кожухотрубчатые теплообменники представляют собой аппараты, выполненные из пучков труб, собранных при помощи трубных решеток, и ограниченные кожухами и крышками со штуцерами. Трубное и межтрубное пространства в аппарате разобщены, а каждое из этих пространств может быть разделено при помощи перегородок на несколько ходов. Перегородки устанавливаются с целью увеличения скорости, а следовательно, и интенсивности теплообмена теплоносителей. Теплообменники этого типа предназначаются для теплообмена между жидкостями и газами. В большинстве случаев пар (греющий теплоноситель) вводится в межтрубное пространство, а нагреваемая жидкость протекает по трубкам. Конденсат из межтрубного пространства выходит к конденсатоотводчику через штуцер, расположенный в нижней части кожуха.

Другой вид - пластинчатые теплообменные аппараты. В пластинчатых теплообменниках поверхность теплообмена образована набором тонких штампованных гофрированных пластин. Эти аппараты могут быть разборными, полу-разборными и неразборными (сварными).

В пластинах разборных теплообменников имеются угловые отверстия для прохода теплоносителей и пазы, в которых закрепляются уплотнительные и компонующие прокладки из специальных термостойких резин. Пластины сжимаются между неподвижной и подвижной плитами таким образом, что благодаря прокладкам между ними образуются каналы для поочередного прохода горячего и холодного теплоносителей. Плиты снабжены штуцерами для присоединения трубопроводов.

Неподвижная плита крепится к полу, пластины и подвижная плита закрепляются в специальной раме. Группа пластин, образующих систему параллельных каналов, в которых данный теплоноситель движется только в одном направлении, составляет пакет. Пакет по существу аналогичен одному ходу по трубам в многоходовых кожухтрубчатых теплообменниках.

Цель курсового проекта - выработка основных умений и навыков расчета тепловых балансов теплообменных аппаратов, выполнения теплового, поверочного и гидравлического расчетов оборудования и выбора стандартного оборудования из каталогов, а также определение тепловых потерь и эффективности оборудования.

В курсовом проекте необходимо:

рассчитать тепловую нагрузку теплообменников;

выполнить приближенную оценку коэффициентов теплоотдачи, теплопередачи и поверхности нагрева;

выбрать теплообменники из стандартного ряда;

выполнить поверочный расчет теплообменников;

выбрать и рассчитать тепловую изоляцию;

выполнить гидравлический расчет и выбрать насосы для подачи воды и возврата конденсата;

составить схему водонагревательной установки.

1.      Расчет тепловой нагрузки аппарата

Тепловая нагрузка, воспринимаемая нагреваемым теплоносителем

,

где  − теплота, воспринимаемая нагреваемым теплоносителем, кВт;  − расход нагреваемого теплоносителя, кг/с;  − теплоемкость при средней температуре нагреваемого теплоносителя, кДж/(кг∙К);  − температуры воды соответственно на входе и выходе из теплообменника, .

Средняя температура воды

,

где t2н=40 оС - начальная температура нагреваемого теплоносителя; t2к=150 оС - конечная температура нагреваемого теплоносителя.

Теплофизические свойства воды при средней температуре =95 °С по [1-3]:

плотность ρ2=961,85 кг/м³;

теплоемкость С2=4,214 кДж/(кг·К);

теплопроводность λ2=0,6815 Вт/(м·К);

число Прандтля Pr2=1,85;

кинематический коэффициент вязкости ν2=0,3105·10-6 м2/с.

Тепловая нагрузка, воспринимаемая нагреваемым теплоносителем

.

Тепловая нагрузка, отдаваемая греющим теплоносителем

,

где η=0,95 - КПД теплообменника, учитывающий потери теплоты в окружающую среду.

2. Расчет теплового баланса аппарата

Уравнение теплового баланса

Расход греющего теплоносителя

тепловой баланс пластинчатый кожухотрубчатый

где r=2065,6 кДж/(кг·К) при температуре насыщения tн=164,95 ºС и при заданном давлении P=0,7 МПа из [3].

Теплофизические свойства конденсата при tн=164,95 ºС из [1-3]:

плотность ρ1=902,35 кг/м³;

теплопроводность λ1=0,681 Вт/(м·К);

динамический коэффициент вязкости μ1=168,2·10-6 Па·с;

число Прандтля Pr1=1,075.

. Определение среднего температурного напора

Греющий теплоноситель имеет постоянную температуру на всем протяжении теплообменника, следовательно, среднелогарифмические напоры при противотоке и прямотоке будут равны. Выбираю в качестве схемы движения теплоносителей противоток.

Рисунок 1 - Изменение температур теплоносителей вдоль поверхности теплообменника при противотоке

Определяем  - соответственно большая и меньшая разности температур теплоносителей на концах теплообменника:

Так как отношение Δtб/Δtм>4,5, средний температурный напор при противотоке определяем по формуле

4. Приближенная оценка коэффициента теплоотдачи, теплопередачи и поверхности нагрева

Принимаю ориентировочное значение коэффициента теплопередачи Kор=1500 Вт/(м2·К) из табл. 2.1 по [4].

Основное уравнение теплопередачи

откуда ориентировочная площадь поверхности теплообмена

5. Выбор кожухотрубчатого теплообменника из стандартного ряда

Из табл. 2.3 по [4] выбираю стандартный кожухотрубчатый теплообменник со следующими параметрами (рис.2):

диаметр кожуха Dв=1000 мм;

диаметр труб и толщина стенки d×δ=20×2 мм;

число ходов z=2;

общее число труб n=1138;

высота труб H=4 м;

площадь поверхности теплообмена F=286 м2.

Расчет коэффициента теплоотдачи от стенки к воде

Скорость течения воды в трубах

Число Рейнольдса

где - внутренний диаметр трубы.

Режим течения воды в трубках турбулентный, так как Re2≥104, поэтому можно воспользоваться формулой для определения числа Нуссельта по [4]

где εl=1 - поправка, учитывающая отношение l/d так как l/d=200>50.

Коэффициент теплоотдачи от стенки к воде

Расчет коэффициента теплоотдачи от пара к стенке

Так как в теплообменнике происходит конденсация пара на наружной поверхности вертикально расположенных труб, использую следующую формулу коэффициента теплоотдачи от пара к стенке по [4]

Коэффициента теплопередачи

где =0,002 м - толщина стенки,  Вт/(м·К) - теплопроводность стали из табл. 1 из [1].

Требуемая площадь поверхности теплообмена

Сопоставляю стандартную поверхность теплообмена с требуемой

.

Подходит теплообменник с номинальной поверхностью 286 м2 и запасом 22%. На рисунке 2 представлена схема этого теплообменного аппарата. Условное обозначение 1000ТВК-7-М1-О/20-4-2 гр. А:

мм - диаметр кожуха; Т - теплообменник; В - вертикальный; К - конденсатор; 7 ата (0,7 МПа) - давление в трубном пространстве; М1 - материал группы 1; О - обыкновенного исполнения по температурному ограничению; 20 мм - наружный диаметр труб; 4 м - высота труб; 2 - двухходовой по трубному пространству; гр. А - для нагрева и охлаждения не взрывоопасных пожаробезопасных сред и сред, не обладающих токсичностью.

Рисунок 2 - Вертикальный кожухотрубчатый двухходовой (по трубному пространству) теплообменник: 1 - крышка распределительной камеры; 2 - распределительная камера; 3 - крышка; 4 - штуцер; 5 - перегородка с сегментным вырезом; 6 - кожух; 7 - теплообменные трубы

6. Выбор пластинчатого теплообменника из стандартного ряда

Из табл. 2.13 и 2.14 по [4] выбираю стандартный пластинчатый теплообменник с параметрами (рис.3):

площадь поверхности теплообмена F=200 м2;

площадь пластины f=0,6 м2;

эквивалентный диаметр канала dэ=8,3 мм;

приведенная длина канала L=1,01 м;

поперечное сечение канала S=0,00245 м2.

Скорость жидкости в каналах

где G2=40 кг/с - расход нагреваемого теплоносителя; ρ2=961,85 кг/м3 - плотность воды; N=340 шт. - количество пластин аппарата; S=0,00245 м2 - поперечное сечение канала.

Число Рейнольдса из [4]

где d=8,3 мм - эквивалентный диаметр канала; μ2=300,5·10-6 Па·с - динамический коэффициент вязкости воды.

Число Нуссельта

.

Коэффициент теплоотдачи к жидкости из [4]

Для определения коэффициента теплоотдачи от пара примем, что >. Тогда в каналах с приведенной длиной получим формулу из [4]

где  кг/с - расход пара;  Па·с - динамический коэффициент вязкости конденсата;  м2 - площадь поверхности теплообмена.

Коэффициент теплоотдачи от пара из [4]

 Вт/(м2·К).

Коэффициента теплопередачи

Требуемая поверхность теплообменника

Сопоставляю стандартную поверхность теплообмена с принятой

Подходит теплообменник с номинальной поверхностью 200 м2 и запасом 6,5%. На рисунке 3 представлена схема этого теплообменного аппарата. Условное обозначение ТППР 0,6Е-200-1-2-10:

Т - теплообменник; П - пластинчатый; ПР - полу-разборный; 0,6 м2 - площадь одной пластины; Е - тип пластин; 200 м2 - площадь поверхности теплообмена; 1 - на консольной раме; 2 - марка материала; 10 - марка материала прокладки (стойкая резина СУ-359).

Рисунок 3 - Принципиальная конструкция пластинчатого пакетного разборного теплообменника: I - нагреваемый теплоноситель - вода; II - греющий теплоноситель - пар

Сравнительный анализ теплообменных аппаратов

По результатам расчетов можно выполнить сравнительный анализ теплообменных аппаратов (табл. 1). Пластинчатый теплообменник является более выгодным в использовании, так как его коэффициент теплопередачи больше, чем у кожухотрубчатого.