Тепловой поверочный расчет кожухотрубного и пластинчатого теплообменников

Министерство образования и науки РФ

Иркутский национальный исследовательский технический университет

Кафедра теплоэнергетики

Расчетно-графическая работа

по дисциплине «Тепломассообменное оборудование ТЭС и промпредприятий»

на тему: «Тепловой поверочный расчет кожухотрубного и пластинчатого теплообменников»

Вариант 15

Выполнил: студент гр. ПТЭб-12-1

Распутин В.В.

Проверил: доцент кафедры ТЭ Картавская В. М.

Иркутск 2015г.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

. Расчет тепловой нагрузки теплообменного аппарата

. Расчет и выбор кожухотрубных теплообменников

. Графо-аналитический метод определения коэффициента теплопередачи и поверхности нагрева

. Расчет и выбор пластинчатого теплообменника

. Сравнительный анализ теплообменных аппаратов

. Гидравлический расчет кожухотрубных теплообменников, трубопроводов воды и конденсата, выбор насосов и конденсатоотводчика

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ВВЕДЕНИЕ

В работе приводится расчет и выбор двух видов теплообменников кожухотрубного и пластинчатого.

Кожухотрубные 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.

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 них 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 кожухотрубных теплообменниках.

Цель работы - произвести тепловой и поверочный расчет кожухотрубных и пластинчатого теплообменников.

Для этого необходимо:

рассчитать тепловую нагрузку теплообменного аппарата;

рассчитать и выбрать:

кожухотрубные теплообменники из стандартного ряда;

пластинчатый теплообменник из стандартного ряда.

Задание - выполнить тепловой поверочный расчет кожухотрубных и пластинчатого теплообменников.

Исходные данные:

Теплоноситель:

греющий - сухой насыщенный пар;

нагреваемый - вода.

Параметры греющего теплоносителя:

давление Р₁ = 1,5 МПа;

температура t_1к = t_н .

Параметры нагреваемого теплоносителя:

расход G₂ = 80 кг/с;

температура на входе t_2н = 40°С;

температура на выходе t_2к = 170°С.

Расположение труб - вертикальное.

1. Расчет тепловой нагрузки теплообменного аппарата

Тепловая нагрузка из уравнения теплового баланса [1]

,

кожухотрубный теплообменник пластинчатый нагрев

где  - теплота, переданная греющим теплоносителем (сухим насыщенным паром), кВт;  - теплота, воспринятая нагреваемым теплоносителем (водой), кВт; h - КПД теплообменника, учитывающий потери теплоты в окружающую среду.

Уравнение теплового баланса при изменении агрегатного состояния одного из теплоносителей

 ,

где ,  - соответственно расход, теплота парообразования и температура насыщения сухого насыщенного пара, кг/с, кДж/кг, °С;  - температура переохлаждения конденсата, °С;  - теплоемкость конденсата греющего теплоносителя, кДж/(кг·К);   - соответственно расход и удельная теплоемкость нагреваемой воды, кг/с и кДж/(кг·К) при средней температуре ;  - соответственно начальная и конечная температуры нагреваемой воды, °С.

По давлению греющего теплоносителя Р₁ = 1,5 МПа определяем по[2,3] температуру насыщения t_н = 198,3°С и теплоту парообразования r = 1946,3 кДж/кг.

Определяющая температура конденсата

 °С.

Теплофизические параметры конденсата при =198,3°С из [2,3]:

плотность r₁ = 1963,9 кг/м³;

теплоемкость = 4,49 кДж/(кг·К);

теплопроводность l₁ = 0,66 Вт/(м·К);

динамический коэффициент вязкости m₁=136×10^-6 Па×с;

кинематическая вязкость ν₁ = 1,56×10^-7 м²/с;

число Прандтля Pr₁=0,92.

Определяющая температура воды

 °С.

Теплофизические параметры воды при  = °С из [2,3]:

плотность r₂ = 1134,68 кг/м³;

теплоемкость = 4,223 кДж/(кг·К);

теплопроводность l₂ = 0,68 Вт/(м·К);

кинематическая вязкость ν₂ = 2,8×10^-7 м²/с;

число Прандтля Pr₂ = 1,7.

Теплота, воспринятая нагреваемой водой без изменения агрегатного состояния

Теплота, переданная сухим насыщенным паром при изменении агрегатного состояния

 МВт.

Расход греющего теплоносителя

 кг/с.

Выбор схемы движения теплоносителей и определение среднего температурного напора

На рис.1 представлен график изменения температур теплоносителей по поверхности теплообменника при противотоке. [2]

Рисунок 1 - График изменения температур теплоносителей по поверхности теплообмена при противотоке

В теплообменном аппарате происходит изменение агрегатного состояния греющего теплоносителя, следовательно, средний логарифмический температурный напор находится по формуле

.

°С,

где °C- большая разность температур двух теплоносителей на концах теплообменника; °C - меньшая разность температур двух теплоносителей на концах теплообменника.

Принимаем ориентировочное значение коэффициента теплопередачи

 _ор=2250 Вт/(м²·К).

Тогда из основного уравнения теплопередачи ориентировочная площадь поверхности теплообмена

 м².

2. Расчет и выбор кожухотрубных теплообменников

Между труб в кожухотрубном теплообменнике движется греющий теплоноситель - конденсирующийся сухой насыщенный пар, в трубах - нагреваемый теплоноситель - вода, коэффициент теплоотдачи конденсирующегося пара выше, чем у воды.

Выбираем вертикальный сетевой подогреватель типа ПСВК-220-1,6-1,6 (рис.2) [5].

Основные размеры и технические характеристики теплообменника:

Диаметр корпуса D = 1345 мм.

Толщина стенки d = 2 мм.

Наружный диаметр труб d = 24 мм.

Число ходов теплоносителя z = 4.

Общее число труб n = 1560.

Длина труб L = 3410 мм.

Площадь поверхности теплообмена F = 220 м².

Выбран вертикальный подогреватель сетевой воды ПСВК-220-1,6-1,6 (рис. 4) с поверхностью теплообмена F = 220 м².

Условное обозначение теплообменника ПСВК-220-1,6-1,6: П - подогреватель; С - сетевой воды; В - вертикальный; К - для котельных; 220 м² - площадь поверхности теплообмена; 1,6 МПа - максимальное рабочее давление греющего сухого насыщенного пара, МПа; 1,6 МПа - максимальное рабочее давление сетевой воды.

Рисунок 2 - Схема вертикального подогревателя сетевой воды типа ПСВК-220: 1 - распределительная водяная камера; 2 - корпус; 3 - трубная система; 4 - малая водяная камера; 5 - съемная часть корпуса; А, Б - подвод и отвод сетевой воды; В - вход пара; Г - отвод конденсата; Д - отвод воздушной смеси; Е - слив воды из трубной системы; К - к дифманометру; Л - к указателю уровня

В корпусе имеется нижний фланцевый разъем, что обеспечивает доступ к нижней трубной доске без выемки трубной системы. Применена однопроходная схема движения пара без застойных зон и завихрений. Усовершенствована конструкция пароотбойного щита и его крепление. Введен непрерывный отвод паровоздушной смеси. Введен каркас трубной системы, за счет чего повышена ее жесткость. Параметры указаны для латунных теплообменных труб при номинальном расходе сетевой воды и при указанном давлении сухого насыщенного пара. Материал труб - латунь, нержавеющая сталь, медноникилевая сталь.

Так как в теплообменнике происходит пленочная конденсация пара на наружной поверхности вертикально расположенных труб, воспользуемся следующей формулой коэффициента теплоотдачи от конденсирующегося сухого насыщенного пара к стенке из [3]:

Вт/(м²К),

где  = 0,66 Вт/(м×К) - коэффициент теплопроводности насыщенной жидкости; =  кг/м³ - плотность насыщенной жидкости при °С;  Па×с - коэффициент динамической вязкости насыщенной жидкости.

Определим коэффициент теплоотдачи для трубного пространства (нагреваемый теплоноситель - вода).

Для определения коэффициента теплоотдачи необходимо определить режим течения воды по трубкам. Для этого вычисляем критерии Рейнольдса [4]:

,

где d_вн = d-2d = 24-2×2 = 20 мм = 0,02 м - внутренний диаметр трубок; n = 1560 - общее число трубок; z = 4 - число ходов; Па×с - динамический коэффициент вязкости воды.

 = ³10⁴ - режим течения турбулентный, тогда критерий Нуссельта из [4]

,

Коэффициент теплоотдачи от стенки к нагреваемому теплоносителю

 Вт/(м²×К),

где  Вт/(м²×К) - коэффициент теплопроводности воды при °С.

Определим скорость воды:

Проверка температуры стенки:

Принимаем, что трубы изготовлены из латуни, коэффициент теплопроводности l_ст = 111 Вт/(м·К) по [4].

По наибольшему значению коэффициента теплоотдачи от пара к стенке определяем коэффициент теплопередачи:

Вт/(м²×К).

Определяем площадь поверхности теплообмена:

 м²,

где  МВт - теплота, переданная греющим теплоносителем; °С - средний температурный напор.

Запас:

.

. Графо-аналитический метод определения коэффициента теплопередачи и поверхности нагрева

Коэффициент теплопередачи определяем графо-аналитическим методом, для чего предварительно находим для различных участков перехода теплоты зависимость между плотностью теплового потока q и перепадом температур Dt.

а) Передача тепла от пара к стенке.

Коэффициент теплоотдачи определяем по формуле

где H=3,41м - высота трубок в одном ходе.

Для найденного значения a₁ определяем плотность теплового потока

Задавшись рядом значений , вычисляем соответствующие им величины  и :

Строим кривую  рис. 3.

б) Передача теплоты через стенку.

где l_ст=111 Вт/(м×°С) - теплопроводность для латунной стенки; толщина стенки.

Задавшись рядом значений , вычисляем величину :

Связь между q₂ и t₂ изображается графически прямой линией (рис. 3).

в) Передача теплоты через накипь

где l_нак=3,49 Вт/(м×°С) - теплопроводность накипи; толщина накипи.

Задавшись рядом значений , вычисляем величину :

Строим кривую  рис. 3.

г) Передача теплоты от стенки к воде

Скорость воды в пароводяных подогревателях составляет , движение воды в трубках турбулентное, поэтому пользуемся формулой

где d_вн=0,02 м - внутренний диаметр труб; А= при средней температуре воды  (табл. 1-4 [4]).

Тогда

Задавшись рядом значений , вычисляем величину :

Строим кривую  рис. 3.

Складывая ординаты четырех зависимостей, строим суммарную кривую температурных перепадов. Из точки m на оси ординат, соответствующей , проводим прямую, параллельную оси абсцисс до пересечения ее с суммарной кривой. Из точки пересечения n опускаем перпендикуляр n на ось абсцисс и находим значение q=49500 Вт/м².

Рисунок 3 - Зависимость теплового напряжения поверхности нагрева от температурного напора

При этом коэффициент теплопередачи

Поверхность нагрева теплообменника

4. Расчет и выбор пластинчатого теплообменника

Выбираю стандартный теплообменник (рис.4, табл. 2.13 [6]).

Параметры теплообмена и основные параметры разборных пластинчатых теплообменников (по ГОСТ 15518-83) со следующими характеристиками:

площадь поверхности теплообмена F=250м²;

площадь платины f=0,6м²;

количество пластин N=420;

эквивалентный диаметр канала d_э=8,3мм;

приведенная длина канала L=1,01м;

поперечное сечение канала S=0,00245м².

Условное обозначение теплообменника ТПР-0,6Е-250-1-2-10 (рис.4): Т - теплообменник; П - пластинчатый; Р - разборный; 0,6 м² - площадь одной пластины; Е - тип пластин; 250м² - площадь поверхности теплообмена; 1 - на консольной раме; 2 - марка материала; 10 - марка материала прокладки.

Скорость жидкости в каналах найдем по формуле [4]

 м/с,

где  кг/с - расход нагреваемого теплоносителя; кг/м³ - плотность воды при  = 105⁰С; N = 420 - количество пластин аппарата; S = 0,00245м² - поперечное сечение канала.

Рисунок 4 - Разборный пластинчатый теплообменник типа ТПР-0,6Е-250-1-2-10

Критерий Нуссельта

;

Коэффициент теплоотдачи к воде рассчитывается по формуле

 Вт/(м²×К).

Определяем значение  Температура стенки t_ст=(t_н+/2=(198,3+170)/2=184,2. Тогда

При этом критерий Рейнольдса рассчитывается по формуле [6]

Коэффициент теплоотдачи от сухого насыщенного пара к стенке

 Вт/(м²×К),

где  = 240 - коэффициент, зависящий от типа (площади) пластины, при f=0,6м².

Теплопроводность нержавеющей стали l_л = 111 Вт/(м×К).

Тогда значение коэффициента теплопередачи составит

 Вт/(м²×К).

Уточняем значение

Температура стенки составит

Так как полученное значение температуры стенки мало отличается от принятого, то рассчитываем поверхность теплообмена.

Требуемая поверхность теплообмена

 м²;

Запас поверхности составит

.

5. Сравнительный анализ теплообменных аппаратов

Сравнивая выбранные кожухотрубные и пластинчатый теплообменники, можно сделать вывод, что пластинчатый теплообменник предпочтительнее, особенно по габаритам, так как длина канала у пластинчатого L=1,01 м, а кожухотрубных L=3,41м.

Пластинчатые теплообменники экономически выгодны и по эксплуатационным показателям превосходят лучшие кожухотрубные [5].

Таким образом, можно сделать вывод, что в нашем случае предпочтительнее установить пластинчатый теплообменник, тем более, что запас поверхности нагрева его составляет % против отсутствия практически такового у кожухотрубных, - существует возможность обеспечения тепловой нагрузки выше расчетной 46,2 МВт.

Таблица 1 - Сравнительный анализ теплообменников

6. Гидравлический расчет кожухотрубных теплообменников, трубопроводов воды и конденсата, выбор насосов и конденсатоотводчика

Потери давления воды в трубном пространстве с учетом шероховатости труб и сопротивлений входного и выходного штуцеров определяется по формуле [3]

где λ - коэффициент гидравлического сопротивления трения; L - длина трубы, м; ω_тр - скорость потока внутри труб, м/с; d - внутренний диаметр трубы, м; ρ_тр- плотность воды внутри труб, кг/м³; z - число ходов; ξ₁=2,5 - коэффициент поворота между ходами [3]; =1,5 - коэффициент гидравлического сопротивления штуцеров [2]; - скорость потока в штуцерах, определяемая по формуле [3], м/с.

где G_тр - расход воды, кг/с; d_ш - диаметр штуцера, м, определяемый в зависимости от диаметра кожуха [3].

Коэффициент гидравлического сопротивления трения при турбулентном течении жидкости внутри труб определяется по формуле [3]

где Re_тр - число Рейнольдса для трубного пространства; е=Δ/d - отношение величины шероховатости Δ=0,2 мм [3] к внутреннему диаметру трубы d, мм.

Гидравлическое сопротивление

Скорость воды в трубках

где плотность воды при температуре =105 °С.

Внутренний диаметр штуцеров по [3] принимаем d_ш=300 мм=0,3 м.

Скорость потока воды в штуцерах

 0,99 м/с.

Коэффициент гидравлического сопротивления трения при турбулентном течении жидкости внутри труб из [3]

,

где e=D/d=0,0002/0,02=0,01 - отношение величины шероховатости D=0,2мм.

Таким образом, определим потери давления в трубном пространстве теплообменника:

 Па.

Скорость конденсата в межтрубном пространстве определяют по формуле [3]

 0,4 м/с,

где 0,03 м² - площадь сечения потока между перегородками;  1963,9 кг/м³ - плотность конденсата при температуре =198,3 °С. Потери давления конденсата в межтрубном пространстве определяются по формуле [3]

где Re_мтр - число Рейнольдса для межтрубного пространства; ω_мтр - скорость потока конденсата в межтрубном пространстве, м/с; ρ_мтр- плотность конденсата в межтрубном пространстве, кг/м³; ξ=1,5 - коэффициент гидравлического сопротивления входов и выходов воды в межтрубном пространстве [3]; x=4 - число сегментных перегородок [3]; m - число рядов труб, преодолеваемых потоком конденсата в межтрубном пространстве, определяемая по формуле [3]

где w_мтр.ш - скорость потока конденсата в штуцерах, м/с, определяемая по формуле [3]

 0,17 м/с,

где G₁=23,73 кг/с - расход конденсата;  кг/м³ - плотность конденсата при температуре =198,3 °С; d_мтр.ш = 0,3 м - диаметр штуцеров к кожуху из [3].

  = 8226,2 Па.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В расчетно-графической работе был произведен поверочный расчет кожухотрубчатых и пластинчатого теплообменников для нагрева воды за счет теплоты конденсации водяного пара. В результате были выбраны стандартные теплообменники:

для нагрева воды за счет теплоты конденсации водяного пара ПСВК-220-1,6-1,6;

Расчетный коэффициент теплопередачи пластинчатого теплообменника  Вт/(м²×К) и стандартная площадь поверхности теплообмена 250 м².

Выполнен гидравлический расчет с учетом местных сопротивлений, а также потерь давления в трубопроводах, длина которых принята самостоятельно.

Выбраны насосы для теплоносителей с учетом их расхода и напора, который должны создать насосы. Для нагреваемого теплоносителя - насос Х90/85, для охлажденного конденсата - насос Х90/33. Также выбраны для питания насосов электродвигатели АО-103-4 и АО2-91-2. Для отвода конденсата выбран конденсатоотводчик типа КА2Х26.16.13 и давлением пара 1,3 МПа.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Картавская В.М. Тепломассообменное оборудование ТЭС и промпредприятий [Электронный ресурс]: учеб. пособие. - Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2014.

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

. Авчухов В.В., Паюсте Б.Я. Задачник по процессам тепломассообмена: учеб. пособие. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - 144с.

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

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

. Основные процессы и аппараты химической технологии: пособие по проектированию/ под ред. Ю.И. Дытнерского. - М.: Альянс, 2008. - 496с.

7. Оборудование для пароконденсатных систем. Промышленный каталог [Электронный ресурс]. - Режим доступа: <http://www.relasko.ru> (29 апреля 2015).