Промышленность, производство: Расчет теплообменников, Лабораторная работа

Практическая работа №1

Теплообменники

 


Необходимо произвести тепловой и конструктивный расчет отопительного пароводяного подогревателя горизонтального типа и секционного водоводяного подогревателя производительностью Q = 1,2∙106 ккал/ч. Температура нагреваемой воды при входе в подогреватель t2’ = 65°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.

Таблица 1

Исходные данные

№ варианта

Производительность, Q·10-6, кДж/ч

Температура нагреваемой воды при входе в подогреватель, t2’, oС

Давление сухого насыщенного водяного пара, р, ат
1 3,78 75 3,5
2 5,04 70 4,0
3 5,88 65 4,5
4 6,72 60 5,0
5 7,56 75 3,5
6 8,40 70 4,0
7 9,24 65 4,5
8 10,1 60 5,0
9 3,78 70 3,5
10 5,04 75 4,0
11 5,88 65 3,5
12 6,72 65 5,0
13 7,56 70 3,5
14 8,40 75 4,0
15 3,78 65 4,5
16 5,04 65 4,0
17 5,88 65 4,0

 

Для расчета отопительного пароводяного подогревателя приняты следующие дополнительные данные:

–  давление сухого насыщенного водяного пара р = 4 ат (tн = 143,62°С), см. Таблицу вода-водяной пар на линии насыщения;

–  температура конденсата, выходящего из подогревателя, tк = tн;

–  число ходов воды z = 2;

–  поверхность нагрева выполнена из латунных труб (l = 90ккал/м·ч·град) диаметром d = 14/16мм.

Загрязнение поверхности учесть дополнительным тепловым сопротивлением dз/lз = 0,00015м2·ч·град/ккал.

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

Для упрощения расчета принять rв = 1000 кг/м3.

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

Для расчетов необходимо:

1.  Рабинович О. М. Сборник задач по технической термодинамике. – М.: Машиностроение, 1973. – 344 с. (Таблица Насыщенный водяной пар (по давлениям))

2.  Таблица зависимости кинематической вязкости воды от температуры

Пример расчета пароводяного подогревателя

Исходные данные: температура нагреваемой воды при входе в подогреватель t2’ = 65°С, мощность Q = 1,2 ·106 ккал/ч.

Расчет: Определим расход воды:

(кг/ч)

или V = 40 м3/ч.

Число трубок в одном ходе:

(шт.)

где dв – 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 = 25мм, угол между осями трубной системы a = 60° и коэффициент использования трубной решетки Y = 0,7, определим диаметр корпуса:

(м) = 378 (м)

Определим также диаметр корпуса по Таблице 1.7 Приложения 1 и Рисунку 1 при ромбическом размещении трубок.

Для числа трубок n = 144 находим в Таблице 1.7 значение D’/s = 14 и, следовательно, D’ = 14·25 = 350(мм).

Диаметр корпуса составит:

D = D’+dн+2k=350+16+2·20=406 (мм).

Приведенное число трубок в вертикальном ряду:

(шт.)

Определим коэффициент теплоотдачи aп 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 т – приведенное число трубок в вертикальном ряду, шт.;

dн – наружный диаметр трубок, м;

А1 – температурный множитель, значение которого выбирается по Таблице 2:

(1/(м·град))

(°С)

Таблица 2

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

Температу-ра t, оС

A5

20 5,16

1,88 20 1746
30 7,88

2,39 30 1909
40 11,4

2,96 40 2064
50 15,6

3,56 50 2213
60 20,9

4,21 60 2350
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 11 205 7,30 100 2850
110 60,7 7855 11524 8,08 110 2957
120 70,3 8020 11 809 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
170 136 8400 12554 14,0 170 2450
180 150 8340 12579 15,0 180 3505

При tн = 143,62°С имеем A1=98,71 (1/(м·град), тогда L = 12·0,016·30,62·98,71 = 580,32 , т. е. меньше величины Lкр = 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 tн = 143,62°С по Таблице 2 находим множитель A2 = 8248,96, тогда:

(ккал/(м2·ч·град))

Определяем коэффициент теплоотдачи от стенки к воде.

Режим течения воды в трубках турбулентный, так как:

,

где n коэффициент кинематической вязкости воды (по справочнику); n = 0,373·10-6м2/c при средней температуре воды t = 81,42°С.

Коэффициент теплоотдачи при турбулентном движении воды внутри трубок:

,

где dэ = dв.

При t = 81,42°С по Таблице 2 множитель A5=2633,6, следовательно:

(ккал/(м2·ч·град))

Расчетный коэффициент теплопередачи (с учетом дополнительного теплового сопротивления dз/lз) определяем по формуле для плоской стенки, так как ее толщина меньше 2,5мм:

 (ккал/(м2·ч·град))

Уточненное значение температуры стенки трубок:

(°С)

Поскольку уточненное значение tст мало отличается от принятого для предварительного расчета, то пересчета величины aп не производим (в противном случае, если отличие в данных температурах более 3%, необходимо производить пересчет до достижения данной точности).

Расчетная поверхность нагрева:

2)

Ориентируясь на полученную величину поверхности нагрева и на заданный в условии диаметр латунных трубок d = 14/16мм, выбираем пароводяной подогреватель горизонтального типа конструкции Я.С. Лаздана (Рисунок 1.1, Таблица 1.1) с поверхностью нагрева F = 10,4м2, площадью проходного сечения по воде (при z = 2) fт = 0,0132м2, количеством и длиной трубок 172×1200мм, числом рядов трубок по вертикали т = 12. Основные размеры подогревателя приведены в Таблице 1.2.

Уточним скорость течения воды w в трубках подогревателя:

(м/с)

Поскольку активная длина трубок l =1200мм, длина хода воды

L = l·z = 1200·2 = 2400 (мм).

Определяем гидравлические потери в подогревателе. Коэффициент гидравлического трения при различных режимах течения жидкости и различной шероховатости стенок трубок можно подсчитать по формуле А.Д. Альтшуля:

,

где k1 – приведенная линейная шероховатость, зависящая от высоты выступов, их формы и частоты.

Принимая k1 = 0 (для чистых латунных трубок), формулу можно представить в более удобном для расчетов виде (для гидравлически гладких труб):

Уточняем критерий Рейнольдса:

Таблица 3

Значения lT = f(Re) для гидравлически гладких труб

Re·10-3

lт

Re·10-3

lт

Re·10-3

lт

Re·10-3

lт

10 0,0303 80 0,0184 200 0,0153 340 0,0139
20 0,0253 90 0,0179 220 0,0150 360 0,0137
30 0,0230 100 0,0175 240 0,0147 380 0,0135
40 0,0215 120 0,0168 260 0,0146 400 0,01345
50 0,0205 140 0,0164 280 0,0144
60 0,0197 160 0,0160 300 0,0142
70 0,0190 180 0,0156 320 0,0140

 

Используя Таблицу 3, по известной величине Re находим lт = 0,023.

Таблица 4

Значение коэффициента загрязнения труб хст

Материал труб и состояние их поверхности

хст

Медные и латунные чистые гладкие трубы 1,0
Новые стальные чистые трубы 1,16
Старые (загрязненные) медные или латунные трубы 1,3
Старые (загрязненные) стальные трубы 1,51 – 1,56

 

Потерю давления в подогревателе определяем с учетом дополнительных потерь от шероховатости в результате загрязнений труб по Таблице 4 и потерь от местных сопротивлений по Таблице 5.

Таблица 5

Коэффициенты местного сопротивления x арматуры и отдельных элементов теплообменного аппарата

Наименование детали x
Вентиль проходной d = 50мм при полном открытии 4,6
То же d = 400мм 7,6
Вентиль Косва 1,0
Задвижка нормальная 0,5 – 1,0
Кран проходной 0,6 – 2,0
Угольник 90° 1,0 – 2,0
Колено гладкое 90°, R = d 0,3
То же, R = 4d 1,0
Входная или выходная камера (удар и поворот) 1,5
Поворот на 180° из одной секции в другую через промежуточную камеру 2,5
То же через колено в секционных подогревателях 2,0
Вход в межтрубное пространство под углом 90 ° к рабочему потоку 1,5
Поворот на 180° в U-образной трубке 0,5
Переход из одной секции в другую (межтрубный поток) 2,5
Поворот на 180° через перегородку в межтрубном пространстве 1,5
Огибание перегородок, поддерживающих трубы 0,5
Выход из межтрубного пространства под углом 90° 1,0

Для условий проектируемого теплообменника по Таблице 4 для загрязненных латунных труб хст = 1,3, а по Таблице 5 коэффициенты местных сопротивлений имеют следующие значения:

Наименование детали x
Вход в камеру 1,5·1 = 1,5
Вход в трубки 1,0·2 = 2,0
Выход из трубок 1,0·2 = 2,0
Поворот на 180° 2,5·1 = 2,5
Выход из камеры 1,5·1 = 1,5

Потеря давления в подогревателе (при условии w = const):

(мм вод. ст.)

Гидравлическое сопротивление пароводяных подогревателей по межтрубному пространству, как правило, не определяется, так как его величина вследствие небольших скоростей пара (до 10м/с) очень мала.

 

Пример расчета секционного водоводяного подогревателя

 

Исходные данные: давление сухого насыщенного водяного пара р = 4ат (tн = 143,62°С), мощность Q = 1,2 ·106 ккал/ч.

Расчет: Определим расходы сетевой воды и воды, нагреваемой в межтрубном пространстве:

(кг/ч)

или Vт = 20,0 м3 /ч;

(кг/ч)

или Vмт = 40,0 м3 /ч.

Площадь проходного сечения трубок (при заданной в условии расчета скорости течения воды в трубках w=1 м/с):

2)

Выбираем подогреватель МВН 2050-32 (Рисунок 1.2, Таблица 1.4). Согласно Таблице 1.3 он имеет: наружный диаметр корпуса 219мм и внутренний – 209мм, число стальных трубок (размером 16×1,4мм) n = 69шт., площадь проходного сечения трубок fт = 0,00935м2, площадь проходного сечения межтрубного пространства fмт = 0,0198 м2.

Скорость воды в трубках и в межтрубном пространстве:

(м/с)

(м/с)

Таким образом, в результате расчета совершенно случайно получены одинаковые скорости воды (Wт=Wмт).

Эквивалентный диаметр для межтрубного пространства:

(м)

Средняя температура воды в трубках:

(°С)

При этой температуре температурный множитель, необходимый для дальнейших расчетов (по Таблице 2), A »2960.

Средняя температура воды между трубками:

(°С)

При этой температуре температурный множитель (по Таблице 2) A5мт »2616.

Режим течения воды в трубках (при t1 = 110°С νт = 0,271·10-6м2/с) и межтрубном пространстве (при t = 80,0°С νмт = 0,38·10-6м2/с) турбулентный, так как:

Коэффициенты теплоотдачи (для турбулентного режима течения воды):

Коэффициент теплоотдачи три турбулентном движении воды внутри трубок:

 (ккал/(м2·ч·град))

где dэ = dв.

 (ккал/(м2·ч·град))

Расчетный коэффициент теплопередачи (коэффициент теплопроводности стали l = 39ккал/(м·ч·град) определяем по формуле для плоской стенки, так как ее толщина меньше 2,5мм:

 (ккал/(м2·ч·град))

Температурный напор:

(°С)

Поверхность нагрева подогревателя:

2)

Длина хода по трубкам при среднем диаметре трубок

d = 0,5·(0,016+0,0132) = 0,0146 (м):

(м)


Число секций (при длине одной секции lт = 4 м):

секции; принимаем 3 секции.

Уточненная поверхность нагрева подогревателя согласно технической характеристике выбранного аппарата составит:

2)

Действительная длина хода воды в трубках и межтрубном пространстве Lт = 4·3 = 12 (м), Lмт = 3,5·3 = 10,5 (м) (при подсчете Lмт расстояние между патрубками входа и выхода сетевой воды, равное 3,5м, выбрано из конструктивных соображений).

Определяем гидравлические потери в подогревателе. Коэффициенты гидравлического трения для трубок и межтрубного пространства определяем по формуле Альтшуля при k = 0,3·10-3мм (для бесшовных стальных труб изготовления высшего качества):

Коэффициенты местных сопротивлений для потока воды в трубках, принимаем по Таблице 5.

Вход в трубки 1,5·4 = 6,0
Выход из трубок 1,5·4 = 6,0
Поворот в колене 0,5·3 = 1,5
Sξ = 13,5

Суммарный коэффициент местных сопротивлений для потока воды в межтрубном пространстве определяется из выражения:

Отношение сечений входного или выходного патрубка: fмт/fпатр = 1.

Потери давления в подогревателе с учетом дополнительных потерь хст от шероховатости (для загрязненных стальных труб по Таблице 4 принимаем хст = 1,51):

(мм вод. ст.)

Потери в межтрубном пространстве подсчитываются по аналогичной формуле, но лишь в том случае, когда сумма значений коэффициентов местных сопротивлений Sxмт определена по указанной выше формуле, в противном случае расчет потерь Dpмт значительно усложняется.

(мм вод. ст.)

Сведем полученные результаты в Таблицу 6 и сравним их между собой.


Таблица 6

Расчетные данные кожухотрубчатого и секционного водоводяного теплообменников

Тип теплообменника

Коэффи-циент теплопе-редачи k, ккaл/(м2·ч·гpaд)

Темпера-турный напор Dt, °С

Поверх-ность нагрева

F, м2

Диаметр корпуса

D, м

Длина корпуса

L, м

Гидравли-ческое сопротивление Dp,

мм вод. ст

Число ходов z
Кожухотрубчатый 1953 62,2 9,88 0,414 1,81 0,526 2
Секционный 1240 27,3 38,25 219 4,44 1,17 3

 

Сравнение показывает, что для данных условий кожухотрубчатый теплообменник имеет те преимущества, что он более компактен и гидравлическое сопротивление его меньше.

 


 

Приложение 1

 

а)

б)

Рисунок 1.1 Горизонтальные пароводяные подогреватели конструкции Я.С. Лаздана: а – двухходовые; б – четырехходовые.

Таблица 1.1

Расчетные характеристики горизонтальных пароводяных подогревателей конструкции Я.С. Лаздана (Рисунок 1)

подогревателей

корпусов

Количество и длина трубок, мм

Поверхность нагрева, м2

Площадь проходного

сечения по воде, м2

Число рядов трубок по вертикали Наиболь-ший расход воды, т/ч

При

четырех ходах

при двух

ходах

1 32 * 900 1,47
2 32 * 1 200 1,93

 

3 1 32 * 1 600 2,58 0,0012 0,0024 5 22/11
4 32 * 2 000 3,18
5 32 * 2 400 3,800
6 56 * 1 200 3,38
7 2 56 * 1 600 4,47 0,0022 0,004 7 40/20
8 56 * 2 000 5,66
9 56 * 2 400 6,66
10 172 * 900 7,78
11 3 172 * 1 200 10,40 0,0066 0,0132 12 120/60
12 172 * 1 600 13,75
13 172 * 2 000 15,8
14 172 * 2 400 20,40

Рисунок 1.2 – Водоводяной подогреватель МВН-2050-62.

Рисунок 1.3 – Одноходовой теплообменный аппарат типа ТН с диаметром корпуса 159 или 273мм, имеющий две камерные сварные крышки с плоскими донышками

Таблица 1.2

Основные размеры горизонтальных пароводяных подогревателей конструкции Я. С. Лаздана (Рисунок 1.1)

№ подогревате-лей № корпу-сов Размеры, мм Вес, кг

Dн

L

L1

L2

L3

L4

D

D1

D2

dн1

dн2

dн3

h1

1 1 219 1265 900 162 615 58 273 76 76 57 210 124
2 219 1565 1 200 162 765 730 273 76 76 57 210 138
3 219 1965 1600 162 965 930 273 76 76 57 210 158
4 219 2365 2000 162 1 165 1130 273 76 76 57 210 177
5 219 2,765 2400 162 1365 1330 273 76 76 57 210 197
6 2 265 1 664 1200 200 803 766 339 455 375 89 89 76 233
7 265 2043 1600 200 1003 951 339 455 375 89 89 76 233 209
8 265 2449 2000 200 1 203 1 151 339 445 375 89 89 76 233 228
9 265 2849 2400 200 1 403 1 351 339 445 375 89 89 76 233 247
10 3 414 1509 900 260 713 656 528 64 540 102 102 89 307 437
11 414 1809 1200 260 883 806 528 645 540 102 102 89 307 437
12 414 2209 1600 260 1063 1 006 528 645 540 102 102 89 307 535
13 414 2609 2000 260 1263 1206 528 645 540 102 102 89 307 591
14 414 3009 2400 260 1463 1 406 528 645 540 102 102 89 307 646

Таблица 1.3

Основные размеры водоводяных подогревателей МВН 2050-62 (Рисунок 1.2)

Типоразмер Размеры, мм Количество отверстий Вес, кг

Dн

D

D1

D2

dн

dн1

d1

d2

H h L

L1

L2

L3

n1

n2

МВН 2050-29

МВН 2050-30

168 360 180 210 133 114 18 18 400 200 2040 4080 2322 4362 2502 4542 2682 4722 8 8

141

220

МВН 2050-31

МВН 2050-32

219 410 240 240 168 168 23 23 500 250 2040 4080 2402 4442 2640 4680 2877 4917 8 8

222

358

МВН 2050-33

МВН 2050-34

273 450 295 295 219 219 23 23 600 300 2040 4080 2422 4462 2729 4769

3035

5075

8 8

325

531

МВН 2050-35

МВН 2050-36

325 513 295 350 273 219 23 23 700 350 2040 4080

2492

4532

2840 4880 3187 5227 8 12

440

735


Примечание: Вес приведен для разъемных односекционных подогревателей.

Рисунок 1.4 – Двухходовые теплообменные аппараты типа ТН и ТЛ:

а – типа ТН с двумя эллиптическими крышками;

б – типа ТЛ с одной сварной и одной эллиптической крышками;

в – горизонтальный типа ТН с одной камерной сварной и одной эллиптической крышками.

Таблица 1.4

Расчетные характеристики водоводяных подогревателей МВН 2050-62 (Рисунок 1.2)

Типоразмер Количес-тво и длина трубок, мм

Поверхность нагрева,

м2

Площади проходных сечений, м2

 

Эквивалентный диаметр сечения между трубками, м Наибольшие расходы воды, т/ч
по трубкам между трубками через трубки через корпус
МВН 2050-29 МВН 2050-30 37 * 2 046 37 * 4 086

3,38

6,84

0,00507 0,0122 0,0212 46/27 110/66
МВН 2050-31 МВН 2050-32 69 * 2 046 69 * 4 036

6,30

12,75

0,00935 0,0198 0,0193 84/50 178/107
МВН 2050-33 МВН 2050-34 109 * 2046 109*4086

9,93

20,13

0,0147 0,0308 0,0201 132/80 276/166
МВН 2050-35 МВН 2050-36 151 * 2046 151 * 4086

13,73

27,86

0,0204 0,0446 0,0208 184/110 400/240

 

Примечания:

1.  Все данные приведены для одной секции.

2.  Наибольшие расходы воды определены при ее объемном весе 1000 кг/м3. Приведенные в числителе расходы воды соответствуют ее скорости 2,5м/с, наибольшей при установке в местных системах.

Рисунок 1.5 – Теплообменные аппараты типа ТН:

а – четырехходовой;

б – шестиходовой.


Рисунок 1.6 – Двухходовой теплообменный аппарат типа ТП

Рисунок 1.7 – Маслоохладитель завода Пергале типа МП-37

Таблица 1.5

Технические характеристики вертикальных пароводяных подогревателей

Типоразмер

Количество

трубок, шт.*

Длина

трубок,

мм

Поверх-ность нагрева, м2

Число

ходов

Площадь проход-

ного

сечения по

воде, м2

Н, м**

Необходимый

расход воды,

т/ч***

Расчетное

избыточное давление, am

в труб-

ках

(вода)

в кор-

пусе

(пар)

БП-43м 236 3170 43 4 0,0142 1,25 125 12 7
БП-65м 360 3170 65 2 0,0433 1,45 380 14 5
Б0-90м 488 3170 90 4 0,0293 1,45 250 14 2,5
БП-90м 488 3170 90 2 0,586 1,45 500 14 5
Б0-130м 708 3166 130 4 0,0426 1,45 380 14 2,5
Б0-200м 1018 3410 200 2 0,0613 1,67 550 14 2,5
БП-200м 1 018 3410 200 4 0,1225 1,67 1 100 14 7
БГТ-200у 1018 3410 200 2 0,1225 1,67 1 100 14 13
Б0-350м 1320 4545 350 4 0,0792 1,61 700 14 2,5
БП-300-2м 1 144 4545 300 2 0,1375 1,61 1 200 14 13
БО-550-Зм 2092 4545 550 4 0,1251 1,80 1 100 14 2,5
БП-500м 1880 4545 500 2 0,226 1,6 250 14 13

 

* Трубки латунные 19/17,5 мм.

** Н – расстояние между соседними перегородками каркаса подогревателя.

*** Наибольшие расходы воды определены при ее скорости w = 2,5 м/с.

 

Таблица 1.6

Условные давления, весовые данные и технические характеристики одноходовых теплообменных аппаратов типа ТН (Рисунок 1.3)

Технические характеристики Диаметр корпуса, мм
159 273

ру, am

2,5 6 10 16 25 40 2,5 6 10 16 25 40

G1, кг

83 89 108 119 166 175 108 117 151 180 243 321

G2, кг

32 96

G3, кг

8 37

G4, кг

18,6 54,3

Fу м2

1 2 4 6 4 6 10 12 16 20

Fp, м2

0,9 1,9 4 6 3,0 6,5 9,6 13 16 19,5
l, мм 1000 2000 4000 6000 1000 2000 3000 4000 5000 6000
H, мм 1520 2520 4520 6520 1620 2620 3620 4620 5620 6620
n, шт. 13 42
d/t, мм 25/32 25/32

f1, м2

0,011 0,032

f2, м2

0,0044 0,014

Таблица 1.7

Относительные значения диаметра трубной решетки в зависимости от числа трубок при ромбическом и концентрическом размещениях

D’/s

n’1

n’2

D’/s

n’1

n’2

2 7 7 22 439 410
4 19 19 24 517 485
6 37 37 26 613 566
8 61 62 28 721 653
10 91 93 30 823 747
12 127 130 32 931 847
14 187 173 34 1045 953
16 241 223 36 1 165 1066
18 301 279 38 1 306 1 185
20 367 341 40 1459 1310

 

Здесь n’1 – общее количество трубок, размещаемых на трубной доске по вершинам равносторонних треугольников ("ромбическое" размещение); n’2 – общее количество трубок, размещаемых на трубной доске по концентрическим окружностям (Рисунок 1).


Еще из раздела Промышленность, производство:


 Это интересно
 Реклама
 Поиск рефератов
 
 Афоризм
Самопожертвование - чувство, которое кажется замечательным у других.
 Гороскоп
Гороскопы
 Счётчики
bigmir)net TOP 100