Лабораторная работа: Расчет теплообменников
Название: Расчет теплообменников Раздел: Промышленность, производство Тип: 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
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 в = 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:
или V = 40 м3 /ч. Число трубок в одном ходе:
где dв – внутренний диаметр теплообменных труб (из дополнительных данных). Общее число трубок в корпусе:
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:
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:
Определим коэффициент теплоотдачи aп от пара к стенке: Температурный напор:
Средние температуры воды и стенки:
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:
Таблица 2Значения температурных множителей в формулах для определения коэффициентов теплоотдачи
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:
Определяем коэффициент теплоотдачи от стенки к воде. Режим течения воды в трубках турбулентный, так как:
где n – коэффициент кинематической вязкости воды (по справочнику); n = 0,373·10-6 м2 /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:
Расчетный коэффициент теплопередачи (с учетом дополнительного теплового сопротивления dз /lз ) определяем по формуле для плоской стенки, так как ее толщина меньше 2,5мм:
Уточненное значение температуры стенки трубок:
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:
Ориентируясь на полученную величину поверхности нагрева и на заданный в условии диаметр латунных трубок в = 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:
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
Используя Таблицу 3, по известной величине Re находим lт = 0,023. Таблица 4Значение коэффициента загрязнения труб хст
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
Для условий проектируемого теплообменника по Таблице 4 для загрязненных латунных труб хст = 1,3, а по Таблице 5 коэффициенты местных сопротивлений имеют следующие значения:
Потеря давления в подогревателе (при условии w = const):
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:
или Vт = 20,0 м3 /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):
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:
Таким образом, в результате расчета совершенно случайно получены одинаковые скорости воды (Wт =Wмт ). Эквивалентный диаметр для межтрубного пространства:
Средняя температура воды в трубках:
При этой температуре температурный множитель, необходимый для дальнейших расчетов (по Таблице 2), A5т »2960. Средняя температура воды между трубками:
При этой температуре температурный множитель (по Таблице 2) A5мт »2616. Режим течения воды в трубках (при t1 = 110°С νт = 0,271·10-6 м2 /с) и межтрубном пространстве (при t = 80,0°С νмт = 0,38·10-6 м2 /с) турбулентный, так как: Коэффициенты теплоотдачи (для турбулентного режима течения воды): Коэффициент теплоотдачи три турбулентном движении воды внутри трубок:
где dэ = dв .
Расчетный коэффициент теплопередачи (коэффициент теплопроводности стали l = 39ккал/(м·ч·град) определяем по формуле для плоской стенки, так как ее толщина меньше 2,5мм:
Температурный напор:
Поверхность нагрева подогревателя:
Длина хода по трубкам при среднем диаметре трубок d = 0,5·(0,016+0,0132) = 0,0146 (м):
Число секций (при длине одной секции lт = 4 м):
Уточненная поверхность нагрева подогревателя согласно технической характеристике выбранного аппарата составит:
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 = 0,3·10-3 мм (для бесшовных стальных труб изготовления высшего качества): Коэффициенты местных сопротивлений для потока воды в трубках, принимаем по Таблице 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):
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.
Сведем полученные результаты в Таблицу 6 и сравним их между собой. Таблица 6 Расчетные данные кожухотрубчатого и секционного водоводяного теплообменников
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)
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 1.2Основные размеры горизонтальных пароводяных подогревателей конструкции Я. С. Лаздана (Рисунок 1.1)
Таблица 1.3Основные размеры водоводяных подогревателей МВН 2050-62 (Рисунок 1.2)
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 1.4Расчетные характеристики водоводяных подогревателей МВН 2050-62 (Рисунок 1.2)
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 1.5Технические характеристики вертикальных пароводяных подогревателей
* 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 1.6Условные давления, весовые данные и технические характеристики одноходовых теплообменных аппаратов типа ТН (Рисунок 1.3)
Таблица 1.7Относительные значения диаметра трубной решетки в зависимости от числа трубок при ромбическом и концентрическом размещениях
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). |