Расчет испарителя

1. Задание на курсовую работу

По исходным данным к курсовой работе необходимо:

- определить гидравлические потери контура циркуляции испарителя;

-определить полезный напор в контуре естественной циркуляции ступени испарителя;

-определить рабочую скорость циркуляции;

-определить коэффициент теплопередачи.

Исходные данные.

Тип испарителя - И -350

Количество труб Z = 1764

Параметры греющего пара: Рп = 0,49 МПа, tп = 168 0С.

Расход пара Dп = 13,5 т/ч;

Габаритные размеры:

L1= 2,29 м

L2= 2,36 м

Д1= 2,05 м

Д2= 2,85 м

Опускные трубы

Количество nоп = 22

Диаметр dоп = 66 мм

Температурный напор в ступени t = 14 оС.

2. Назначение и устройство испарителей

Испарители предназначены для получения дистиллята, восполняющего потери пара и конденсата в основном цикле паротурбинных установок электростанций, а также выработки пара для общестанционных нужд и внешних потребителей.

Испарители могут использоваться в составе как одноступенчатых, так многоступенчатых испарительных установок для работы в технологическом комплексе тепловых электростанций.

В качестве греющей среды может использоваться пар среднего и низкого давления из отборов турбин или РОУ, а в некоторых моделях даже вода с температурой 150-180 °С.

В зависимости от назначения и требований по качеству вторичного пара испарители изготавливаются с одно- и двухступенчатами паропромывочными устройствами.

Испаритель представляет собой сосуд цилиндрической формы и, как правило, вертикального типа. Продольный разрез испарительной установки представлен на рисунке 1. Корпус испарителя состоит из цилиндрической обечайки и двух эллиптических днищ, приваренных к обечайке. Для крепления к фундаменту к корпусу приварены опоры. Для подъема и перемещения испарителя предусмотрены грузовые штуцеры (цапфы).

На корпусе испарителя предусмотрены патрубки и штуцеры для:

- подвода греющего пара (3);

- отвода вторичного пара;

- отвода конденсата греющего пара (8);

- подвода питательной воды испарителя (5);

- подвода воды на паропромывочное устройство (4);

- непрерывной продувки;

- слива воды из корпуса и периодической продувки;

- перепуска неконденсирующихся газов;

- установки предохранительных клапанов;

- установки приборов контроля и автоматического регулирования;

- отбора проб.

В корпусе испарителя предусмотрено два люка для осмотра и ремонта внутренних устройств.

Питательная вода поступает по коллектору (5) на промывочный лист (4) и по опускным трубам в нижнюю часть греющей секции (2). Греющий пар поступает по патрубку (3) в межтрубное пространство греющей секции. Омывая трубы греющей секции, пар конденсируется на стенках труб. Конденсат греющего пара стекает в нижнюю часть греющей секции, образуя необогреваемую зону.

Внутри труб, сначала вода, затем пароводяная смесь поднимается в парообразующий участок греющей секции. Пар поднимается верх, а вода переливается в кольцевое пространство и опускается вниз.

Образующийся вторичный пар, сначала проходит через промывочный лист, где остаются крупные капли воды, затем через жалюзийный сепаратор (6), где улавливаются средние и часть мелких капель. Движение воды в опускных трубах, кольцевом канале и пароводяной смеси трубах греющей секции происходит за счет естественной циркуляции: разности плотностей воды и пароводяной смеси.

Рис. 1. Испарительная установка

1 - корпус; 2 - греющая секция; 3 - подвод греющего пара; 4 - промывочный лист; 5 - подвод питательной воды; 6 - жалюзийный сепаратор; 7 -опускные трубы; 8 - отвод конденсата греющего пара.

3. Определение параметров вторичного пара испарительной установки

Рис.2. Схема испарительной установки.

Давление вторичного пара в испарителе определяется температурным напором ступени и параметрами потока в греющем контуре.

При Рп = 0,49 МПа, tп = 168 оС, hп = 2785 КДж/кг

Павраметры при давлении насыщения Рп = 0,49 МПа,

tн = 151 оС, h'п= 636,8 КДж/кг; h"п = 2747,6 КДж/кг;

Давление вторичного пара определяется по температуре насыщения.

tн1 = tн – t = 151 – 14 = 137 оС

где t = 14 оC.

При температуре насыщения tн1 = 137 оС давление вторичного пара

Р1 = 0,33 МПа;

Энтальпии пара при Р1 = 0,33 МПа h'1= 576,2 КДж/кг; h"1 = 2730 КДж/кг;

4. Определение производительности испарительной установки.

Производительность испарительной установки определяется потоком вторичного пара из испарителя

Dиу = Di

Количество вторичного пара из испарителя определяется из уравнения теплового баланса

Dni (hni -hni) = Di hi+ Di hi - (1+ )Di hпв ;

Отсюда расход вторичного пара из испарителя:

D = Dn(hn - hn )/((h1 + h1 - ( 1 + )hпв)) =

= 13,5(2785 – 636,8)0,98/((2730+0,05576,2 -(1+0,05)293,3)) = 11,54 т/ч.

где энтальпии греющего пара и его конденсата

hn = 2785 КДж/кг, hn = 636,8 КДж/кг;

Энтальпии вторичного пара, его конденсата и питательной воды :

h1=2730 КДж/кг; h1= 576,2 КДж/кг;

Энтальпии питательной воды при tпв = 70 оС: hпв= 293,3 КДж/кг;

Продувка = 0,05; т.е. 5 %. КПД испарителя , = 0,98.

Производительность испарителя:

Dиу = D = 11,54 т/ч;

5. Тепловой расчёт испарителя

Расчёт производится методом последовательного приближения.

Тепловой поток

Q = (D /3,6)[h1 + h1 - (1+)hпв] =

= (11,54/3,6)[2730 +0,05576,2 - (1+ 0,05)293,3] = 7856,4 кВт;

Коэффициент теплопередачи

k = Q/tF = 7856,4/14350 = 1,61 кВт/м2С = 1610 Вт/м2С ,

где t=14C ; F= 350 м2;

Удельный тепловой поток

q =Q/F = 7856,4/350 = 22,4 кВт/м2;

Число Рейнольдса

Rе = qH/r' = 22,40,5725/(2110,89152,0310-6) = 32,78;

где высота теплообменной поверхности

H = L1/4 = 2,29 /4 = 0,5725 м;

Теплота парообразования r = 2110,8 кДж/кг;

Плотность жидкости ' = 915 кг/м3 ;

Коэффициент кинематической вязкости при Рп= 0,49 МПа,

=2,0310-6 м/с;

Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенке

при Rе = 32,78 < 100

1н=1,01(g/2)1/3Rе-1/3 =

= 1,010,684(9,81/((0,20310-6)2))1/332,78-1/3 = 13378,1 Вт/м2С;

где при Рп = 0,49 МПа , = 0,684 Вт/мС;

Коэффициент теплоотдачи с учётом окисления стенок труб

1=0,751н=0,7513378,1 = 10033,6 Вт/м2С;

6. Определение скорости циркуляции.

Расчёт проводится графо-аналитическим методом.

Задаваясь тремя значениями скорости циркуляции W0 = 0,5; 0,7; 0,9 м/с рассчитываем сопротивление в подводящих линиях Рподв и полезный напор Рпол. По данным расчета строим график Рподв.=f(W) и Рпол.=f(W). При этих скоростях зависимости сопротивления в подводящих линиях Рподв и полезный напор Рпол не пересекаются. Поэтому заново задаемся тремя значениями скорости циркуляции W0 = 0,8; 1,0; 1,2 м/с; рассчитываем сопротивление в подводящих линиях и полезный напор заново. Точка пересечения этих кривых соответствует рабочему значению скорости циркуляции. Гидравлические потери в подводящей части складываются из потерь в кольцевом пространстве и потерь на входных участках труб.

Площадь кольцевого сечения

Fк=0,785[(Д22-Д12)-d2оп nоп]=0,785[(2,852 – 2,052) – 0,0662 22] = 3,002 м2;

Эквивалентный диаметр

Дэкв=4Fк/(Д1+Д2+ndоп) =4*3,002/(2,05+2,85+ 220,066)3,14= 0,602 м;

Скорость воды в кольцевом канале

Wк=W0(0,785d2вн Z/Fк) =0,5(0,7850,0272 1764 /3,002) = 0,2598 м/с;

где внутренний диаметр труб греющей секции

dвн=dн – 2 = 32 - 22,5 = 27 мм = 0,027 м;

Число труб греющей секции Z = 1764 шт.

Расчёт ведём в табличной форме, таблица 1

Расчёт скорости циркуляции. Таблица 1.

№ п/п	Наименование, формула определения, единица измерения.	Скорость, W0 , м/с
		0,5	0,7	0,9
1	2	3	4	5
1.	Скорость воды в кольцевом канале: Wк=W0*((0,785*dвн2 z)/Fк), м/с	0,2598	0,3638	0,4677
2.	Число Рейнольса: Rе =WкДэкв /	770578,44	1078809,8	1387041,2
3.	Коэффициент трения в кольцевом канале тр=0,3164/Rе0,25	0,0106790	0,0098174	0,0092196
4.	Потери давления при движении в кольцевом канале, Па: Рк=тр*(L2/Дэкв)*(Wк2/2) ;	1,29	2,33	3,62
5.	Потери давления на входе из кольцевого канала, Па ; Рвх=(вх+вых)*(('Wк2)/2), где вх=0,5;вых=1,0.	46,32	90,80	150,09
6.	Потери давления на входе в трубы греющей секции, Па ; Рвх.тр.=вх.тр.*('Wк2)/2, где вх.тр.=0,5	15,44	30,27	50,03
7.	Потери давления при движении воды на прямом участке, Па ; Ртр=гр*(но/dвн)*(Wк2/2), где но-высота нижнего не обогреваемого участка ,м. но=+(L2-L1)/2=0,25 +(3,65-3,59)/2=0,28 м , =0,25-уровень конденсата	3,48	6,27	9,74
8.	Потери в опускных трубах , Па ; Роп = Рвх+Рк	47,62	93,13	153,71
9.	Потери в не обогреваемом участке , Па ; Рно=Рвх.тр.+Ртр.	18,92	36,54	59,77
10	Тепловой поток , кВт/м2 ; gвн=kt= 1,0810= 10,8	22,4	22,4	22,4
11	Общее количество теплоты подаваемое в кольцевом пространстве , КВт ; Qк=Д1L1kt=3,142,53,592,7510= 691,8	330,88	330,88	330,88
12	Повышение энтальпии воды в кольцевом канале , КДж/кг ; hк=Qк/(0,785dвн2ZW')	0,8922	0,6373	0,4957
13	Высота экономайзерного участка,м; эк=((-hк- -(Роп+Рно)(dh/dр)+g'(L1-но)(dh/dр))/ ((4gвн/'Wdвн)+g'(dh/dр)), где (dh/dр)= =h/р=1500/(0,412*105)=0,36	1,454	2,029	2,596
14	Потери на экономайзерном участке , Па ; Рэк=эк('W2)/2	1,7758	4,4640	8,8683
15 15	Общее сопротивление в подводящих линиях , Па ; Рподв=Роп+Рно+Рэк	68,32	134,13	222,35
16	Количество пара в одной трубе, кг/с Д"1=Q/zr	0,00137	0,00137	0,00137
17	Приведённая скорость на выходе из труб, м/с, W"ок=Д"1/(0,785"dвн2) = =0,0043/(0,7851,00,0332) =1,677 м/с;	0,83	0,83	0,83
18	Средняя приведённая скорость, Wпр=Wок/2= =1,677/2=0,838 м/с	0,42	0,42	0,42
19	Расходное паросодержание, ок=Wпр/(Wпр+W)	0,454	0,373	0,316
20	Скорость всплытия одиночного пузыря в неподвижной жидкости, м/с Wпуз=1,5 4gG(-/())2	0,2375	0,2375	0,2375
21	Фактор взаимодействия вз=1,4(/)0,2(1-(/))5	4,366	4,366	4,366
22	Групповая скорость всплытия пузырей, м/с W* =Wпузвз	1,037	1,037	1,037
23	Скорость смешивания, м/с Wсм.р=Wпр"+W	0,92	1,12	1,32
24	Объёмное паросодержание ок=ок/(1+W*/Wсм.р)	0,213	0,193	0,177
25	Движущий напор, Па Рдв=g(-)окLпар , где Lпар=L1-но-эк=3,59-0,28-эк ;	1049,8	-40,7	-934,5
26	Потери на трение в пароводяной линии Ртр.пар= =тр((Lпар/dвн)(W2/2))[1+1,5(Wпр/W)(1-(/)]	20,45	-1,57	-61,27
27	Потери на выходе из трубы Рвых=вых (W2/2)[(1+(Wпр/W)(1-(/)]	342,38	543,37	780,96
28	Потери на ускорение потока Руск=(W)2(y2-y1) , где y1=1/=1/941,2=0,00106 при x=0; =0 у2=((x2к/(к))+((1-xк)2/((1-к)	23,851 0,00106 0,00151	38,36 0,00106 0,00144	54,06 0,00106 0,00139
29	Wсм=Wок+W к=Wок/(1+(Wок/Wсм)) к=к/(1+(Wок/Wсм)) хк=(Wок)/(W)	1,33 0,62 0,280 0,00068	1,53 0,54 0,242 0,000592	1,73 0,48 0,213 0,000523
30	Полезный напор, Па ; Рпол=Рдв-Ртр-Рвых-Руск	663,4	-620,8	-1708,2

Строится зависимость :

Рподв.=f(W) и Рпол.=f(W) , рис. 3 и находим Wр= 0,58 м/с;

Число Рейнольдса :

Rе = (Wрdвн)/ = (0,580,027)/(0,20310-6) = 77142,9;

Число Нуссельта :

Nи = 0,023Rе0,8Рr 0,37 = 0,02377142,90,81,170,37 = 2302,1 ;

где число Рr = 1,17;

Коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящей воде

2 = Nu/dвн = (2302,10,684)/0,027 = 239257,2 Вт/м2С

Коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящей воде с учётом оксидной плёнки

2=1/(1/2)+0,000065=1/(1/239257.2)+0,000065= 1983 Вт/м2С;

Коэффициент теплопередачи

k=1/(1/1)+(dвн/2ст)*n*(dн/dвн)+(1/2)*(dвн/dн) =

= 1/(1/1983)+(0,027/260)n(0,032/0,027)+(1/1320)(0,027/0,032)=

= 1741 Вт/м2С;

где для Ст.20 имеем ст = 60 Вт/моС.

Отклонение от ранее принятого значения

= (k-k0)/k0100%=[(1741 – 1603)/1741]*100 % = 7,9 % < 10%;

Литература

1. Рыжкин В.Я. Тепловые электрические станции. М. 1987.

2. Кутепов А.М. и др. Гидродинамика и теплообмен при парообразовании. М. 1987.

3. Огай В.Д. реализация технологического процесса на ТЭС. Методические указания к выполнению курсовой работы. Алматы. 2008.

Изм	Лист	Докум №	Подп	Дата	КР-5В071700 ПЗ	Лист
Выполнил	Полетаев П.
Руководитель

Расчет испарителя