Расчет секционного водоводяного подогревателя

 

Достоинством дымовых и топочных газов как теплоносителя является возможность достижения высокой температуры при атмосферном давлении, недостатками – громоздкость аппаратуры, обусловленная низкой теплоотдачей от газов к стенке, сложность регулирования рабочего процесса в теплообменном аппарате, пожарная опасность и сравнительно быстрый износ поверхностей теплообмена от золы, а также при чистке аппаратов. Существенным недостатком дымовых газов является также возможность использования их только непосредственно на месте получения, так как транспортировка их даже на небольшие расстояния требует значительных расходов электроэнергии, громоздких каналов и связана с большими тепловыми потерями. [ 8, с.49-55]

В настоящее время в промышленности для высокотемпературного обогрева, кроме дымовых газов, применяют минеральные масла, органические соединения, расплавленные металлы и соли. Характеристика некоторых высокотемпературных теплоносителей дана в таблице 1.1.

Если высокотемпературные теплоносители использовать при температурах ниже точки кипения, то в заполненном ими объеме теплообменного аппарата, так же как и при дымовых газах, избыточное давление может отсутствовать.

Основными требованиями, предъявляемыми к высокотемпературным коэффициентным теплоносителям, являются: высокая температура кипения при атмосферном давлении, высокая интенсивность теплообмена, низкая температура отвердевания, малая активность коррозирующего действия на металлы, не токсичность, невоспламеняемость, взрывобезопасность, термическая стойкость и дешевизна. [ 4,]

 

2. Конструкции теплообменных аппаратов

 

Конструкции современных рекуперативных теплообменных аппаратов поверхностного типа непрерывного действия весьма разнообразны. Поэтому рассмотрим только наиболее характерные из них.

 

 

Кожухотрубчатые теплообменники

 

представляют собой аппараты, выполненные из пучков труб, собранных при помощи трубных решеток, и ограниченные кожухами и крышками со штуцерами. Трубное и межтрубное пространство 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 различными жидкостями, между паром и жидкостями или между жидкостями и газами. Они применяются тогда, когда требуется большая поверхность теплообмена.

Трубки теплообменников изготавливаются прямыми (за исключением теплообменников с U – образными трубками, рисунок 1.2.); поэтому они легко доступны для очистки и замены в случае течи. [ 2, с.20-25]

Особенность кожухотрубчатых теплообменников состоит в том, что проходное сечение межтрубного пространства велико по сравнению с проходным сечением трубок и может быть больше последнего в 2,5 – 3 раза. Поэтому при одинаковых расходах теплоносителей (если теплообмен происходит без изменения их агрегатного состояния) часто получаются пониженные скорости теплоносителя и малые значения коэффициентов теплоотдачи на стороне межтрубного пространства, что значительно снижает коэффициент теплопередачи в аппарате. Для выравнивания проходных сечений иногда применяют усадку концов трубок при закреплении в трубной решетке. Схема такого теплообменника показана на рисунке 1.2., б.

Кожухотрубчатые аппараты могут быть вертикальными и горизонтальными. Вертикальные аппараты имеют большее распространение, так они занимают меньше места и более удобно располагаются в рабочем помещении. Для удобства монтажа и эксплуатации максимальную длину трубок для них следует брать не больше 5 м.

 

Рисунок 1.2. Типы кожухотрубчатых теплообменников.

а – с жестким креплением трубных решеток; б – с обсаженными трубками; в – с линзовым компенсатором на корпусе; г – с U-образными трубками; д – с подвижной решеткой закрытого типа; е – с подвижной решеткой открытого типа; ж – с сальником на штуцере; з – с трубками Фильда. [ 2, с.52-53]

Секционные теплообменники и теплообменники «труба в трубе». Секционные трубчатые теплообменники (рисунок 1.3.) при одинаковых расходах жидкостей имеют меньшую разницу в скоростях движения теплоносителей в трубах и межтрубном пространстве и повышенные коэффициенты теплопередачи по сравнению с обычными трубчатыми теплообменниками.

 

Рисунок 1.3. Водоводяной подогреватель.

1 – линзовый компенсатор; 2- разборная (на резьбе) трубная решетка; 3 –  калач; 4 – трубки.

 

Для небольших производительностей целесообразно применение теплообменников типа «труба в трубе», относящихся также к секционным, но конструктивно упрощенным аппаратам: в наружную трубу вставлена труба меньшего диаметра, отсутствуют трубные решетки и фланцы, все элементы аппарата соединены сваркой.

Недостатки секционных теплообменников: во-первых, высокая стоимость единицы поверхности нагрева, так как деление ее на секции вызывает увеличение количества наиболее дорогих элементов аппарата – трубных решеток, фланцевых соединений, переходных камер, компенсаторов и т. д.; во–вторых, большая длина пути жидкости по сравнению с одноходовой трубчаткой, что создает значительные гидравлические сопротивления и вызывает увеличение расхода электроэнергии на работу насоса. [ 3 ]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ГлаваII. Расчетная часть

Произвести тепловой расчёт секционного водоводяного подогревателя.

Производительность подогревателя Q = 2*106ккал/час. Температура нагреваемой воды на входе в подогреватель t21=450C, а на выходе t211=950С. Влияние загрязнения поверхности нагрева подогревателя и снижения коэффициента теплопередачи при низких температурах воды учесть коэффициентом β=0,65.

Поверхность нагрева – стальные трубы (принять коэффициент теплопроводности стали равным λ ≈ 39ккал/м*час*К,) диаметром dвн./dн=14/16мм.

Температура греющей воды на входе t11= 1800C; на выходе - t111 = 800C.

Скорость воды Wt в трубках принять по возможности близкой к Wт = 0,9м/c.

Для упрощения расчетов принять плотность воды ρв=1000кг/м3..

На основе расчетов выбрать аппарат, выпускаемый серийно.

2.1.Расчет секционного водоводяного подогревателя.

Принимаем: нагреваемая вода движется в межтрубном пространстве, а греющая вода движется внутри трубок; теплообменник противоточный.

Массовый и объёмный расходы воды в трубках

Gт=Q/cр(t11–t111)=2,0*106/(4,187*(180-80)*103) =   =2,0*103/418,7 = 4,7767 кг/c =17196кг/час (массовый расход греющей воды в трубках);

Vт = G/ρ = 17,20 м3/час (объёмный расход греющей воды в трубках)

В этих уравнениях:

cр – теплоёмкость воды;

ρ – плотность воды.

Массовый и объёмный расходы воды в межтрубном пространстве (уравнения для расчёта аналогичны уравнениям П.1.1).

Gмт=2*106/(4,187*103*(95-45)) =2*103/(4,187*50) =

= 9,5534кг/c = 34392 кг/час (массовый расход нагреваемой воды);

Vмт= Gмг./ρ = 34,40м3/час (объёмный расход нагреваемой воды);

Площадь проходного сечения трубок (по заданной скорости равной

Wт = 1м/с).

ft = Vт/(3600*Wт);

ft=17,20 /(3600*1) = 0,00478 м2.

Выбираем водоводяной  подогреватель МВН-2050-62 по данным таблиц №5 и №6 (Приложение) и по площади проходного сечения трубок fт=0,00478м2.

По данным таблицы №6, при скорости движения воды 1м/c в трубках теплообменников МВН-2050-29  и МВН-2050-30 массовый расход греющей воды в трубках равен 27000/1,5=18000кг/час.

При такой же скорости движения воды в этих теплообменниках в межтрубном пространстве массовый расход нагреваемой воды равен 66000/1,5=44000кг/час.

Эти значения расходов воды и в трубках, и в межтрубном пространстве близки к расчетным расходам теплоносителей проектируемого теплообменника. Поэтому, для дальнейших расчетов принимаем геометрические параметры этих теплообменников. Примечание: теплообменники МВН-2050-29 и МВН-2050-30 отличаются только лишь своей длиной; характерные размеры, которые необходимы для тепловых расчетов у них одинаковые.

Согласно таблице 5, эти теплообменники имеют:

наружный диаметр корпуса равен dвн = 168мм;

количество трубок равно n = 37;

площадь проходного сечения трубок равна fт = 0,00507м2;

площадь проходного сечения между трубками (по сечению нормальному к оси трубок – вода движется параллельно трубкам в межтрубном пространстве) равна fмт = 0,0122м2;

эквивалентный диаметр в межтрубном пространстве равен dмт = 0,0212м.

Определяем внутренний диаметр трубок

fт = n*πdвн2/4;

dвн = √4fт/(nπ)= √0,00507*4/(37π) = 0,0132м = 13,2 мм.

Примем толщину трубок равной 1,4 мм. и тогда наружный диаметр трубок равен dн=16 мм.

Определяем внутренний диаметр корпуса  теплообменника.

fмт= πDвн2/4- n* πdн2/4

Dвн= √(fмт+nπd2н/4)*4/π  =

= √(0,0122+37*π*0,0162/4)*4/π  = 0,1581 м. ≈ 158 мм.

Скорость воды:

- в трубках

Wт= Vт / (3600*f.т) = 17,20 / (3600*0,00507) = 0,942 м/c;

в межтрубном пространстве

Wмт= Vмт / (3600*fм.т) = 34,40 / (3600*0,0122) = 0,783м/c.

Скорость движения и греющей и нагреваемой воды не превышает заданных в условии значений.

Средние температуры воды:

- в трубках

t1 = 0,5*(t11 + t111) = 0,5*(180+80) = 1300C;

- в межтрубном пространстве

t2 = 0,5*(t21 +t211) = 0,5*(45+95) = 700С.

Определение режимов течения воды в трубках и в межтрубном пространстве .

Течение в трубках.

Кинематический коэффициент вязкости воды по средней температуре воды в трубках

νт = 0,233*10-6 м2/c (Таблица №1, Приложение)

Число Рейнольдса для воды в трубках

Reт = Wтdвн/νт = 0,913*13,2*10-3 / (0,233*10-6) = 51723

Течение между трубками .

Кинематический коэффициент вязкости воды по средней температуре между трубками

νмт = 0,415* 10-6 м2/c (Таблица №1, Приложение)

Гидравлический (эквивалентный) диаметр межтрубного пространства

dм.т .= 4fм.т. / Р= 4*0,0122 / (π (dн*n+Dвн)) =

= 4*0,0122 / (π (0.016*37+0,158)) = 0,0207 м. = 20,7 мм.

В этой зависимости P – периметр внутреннего корпуса и всех трубок теплообменника.

Число Рейнольдса для воды в межтрубном пространстве

Reмт= Wмт*dмт/νмт = 0, 783 *0,0207 / (0, 415 *10-6) = 39056

Таким образом, течение и внутри трубок и в межтрубном пространстве турбулентное, т.к.

Reт > Reкр = 2300   и   Reмт > Reкр= 2300

Определение коэффициентов теплоотдачи при течении воды в трубках и в межтрубном пространстве.

По таблице №3 (Приложение) при турбулентном течении воды в трубках   

    А5т= 3150  (t1 = 1300C)

По рекомендациям [1] коэффициент теплоотдачи при турбулентном течении воды в трубках

альфат = А5т*Wт0,8 / dвн0,2 = 3150*0,9420,8 / 0,01320,2 =

= 7136 ккал/м2час*К = 8302 Вт/м2К

По таблице №3 (Приложение) при турбулентном течении воды в межтрубном пространстве А5т = 2490 (t2 = 70 0C) и в соответствии с [1]

альфамт = А5мтWмт0,8 / dмт0,2 = 2490*0, 7830,8 / 0,02070,2 =

= 4446 ккал/м2*час*К = 5173 Вт/м2К

Расчетный коэффициент теплопередачи определяем с учетом термического сопротивления загрязнений (β = 0,65 по заданию) и термического сопротивления стенок стальных трубок теплообменника, принимая коэффициент теплопроводности стали λ=39ккал/м*час*К и толщину стенок трубок δ =(16-13,2)/2=1,4мм.

к=β/[(1/альфат+б/λ+1/альфамт)]=0,65/[1/7136+0,0014/39+1/4446]=1625 ккал/м2*час*К = 1890 Вт/м2К.

В этой зависимости коэффициент β = 0,65 учитывает уменьшение эффективности теплопередачи из-за загрязнения поверхности теплообмена.

Среднелогарифмический температурный напор между греющей и нагреваемой водой.

Теплообменник противоточный и для него

∆t = (∆t1-∆t11) / ℓn(∆t1 / ∆t11) = ((180-95)-(80-45)) / ℓп[(180--95) / (80-45)] = 50 / ℓп([85/35)] = 56,35 0C = 56,4 0C

Необходимая поверхность водоводяного подогревателя.

Необходимую поверхность определим из уравнения теплопередачи 

F = Q / (к∆t) = 2*106 / (1625*56,4) = 21,82 м2.

Необходимая длина трубок по ходу движения греющей воды

L=F /(πdcрn) = 21,82 / (π*0,5*(0,016+0,0132)*37) =12,87 м.

Здесь:

dср- средний диаметр трубок;

n=37 – количество трубок.

При длине трубок одной секции ℓ=4086мм (таблица №6, теплообменник МВН-2050-30) необходимо использовать

Z = L / ℓ = 12,87 / 4,086 = 3,15 - количество секций.

Принимаем Z= 4 - количество секций теплообменника МВН-2050-30.

Тогда длина трубок по ходу движения воды равна

Lт = 4*4086 = 16344 мм.,

а длина хода воды в межтрубном пространстве (по конструктивным соображениям расстояние между осями патрубков подвода и отвода воды выбираем равным 3500мм) равна:

Lм.т.= 4*3500 = 14000 мм.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.2 Таблица полученных результатов расчетов

 

Исходные данные (вариант 16)
Производительность подогре-вателя Q, ккал/час	2*106
Т. нагреваемой воды на входе в подогреватель t21, 0C	45
Т. нагрев. воды на выходе в подогреватель t211, 0C	95
коэффициентом β	0,65
коэффициент теплопроводности стали λ , ккал/м*час*К	39
диаметр dвн./dн, мм.	14/16
Т. греющей воды на входе t11, 0C	180
Т. греющей воды на выходе t111, 0C	80
Скорость воды Wt, м/c.	0,9
плотность воды ρв, кг/м3	1000
Искомая величина	Результаты, получ. в результате расчетов (вариант16)
Массовый расход воды в трубках Gт, кг/чаc	17196
Объёмный расход воды в трубках Vт, м3/час	17,20
Массовый расход воды м/ трубок Gмт, кг/чаc	34392
Объёмный расход воды м/ трубок Vмт, м3/час	34,40
Площадь проходного сечения трубок ft, м2	0,00478
Наружный диаметр корпуса dвн, мм.	168
Количество трубок n	37
Площадь проходного сечения трубок fт, м2	0,00507
Площадь проходного сеч. м/у трубками fмт, м2	0,0122
Внутренний Ø трубок dвн, мм.	13,2
Внутр. Ø корпуса  теплообменника Dвн, мм.	158
Скорость воды в трубках Wт, м/с	0,942
Скорость воды в м/трубном простр-ве Wмт, м/с	0,783
Средняя Т. воды в трубках t1, 0C	130
Средняя Т. воды в м/трубном простр-ве t2, 0C	70
Кинематический коэффициент вязкости воды по средней Т. в трубках νт, м2/c	0,233*10-6
Число Рейнольдса для воды в трубках Reт	51723
Кинематический коэффициент вязкости воды по средней Т. м/у трубками νмт, м2/c	0,415* 10-6
Гидравлический (эквивалентный) диаметр м/трубного пространства dм.т., мм.	20,7
Число Рейнольдса для воды в межтрубном пространстве Reмт	39056
По таблице №3 при турбулентном течении воды в трубках    А5т	3150 (при t1 = 1300C)
Коэффициент теплоотдачи при турбулентном течении воды в трубках альфат, ккал/м2час*К	7136
По таблице №3 при турбулентном течении воды в м/трубном простр-ве А5т	2490 (при t2 = 70 0C)
Коэфф. теплоотдачи при турб. течении воды в м/трубном простр-ве альфамт, ккал/м2час*К	4446
Расчетный коэфф. теплопередачи к, ккал/м2*час*К	1625
Среднелогарифмический температурный напор м/у греющей и нагревающ. водой ∆t, 0C	56,4
Необходимая поверхность водоводяного подогревателя F, м2	21,82
Необходимая длина трубок по ходу движения греющей воды L, м.	12,87
Количество секций Z	3,15
Длина трубок по ходу движения воды Lт, мм.	16344
Длина хода воды в м/трубном простр-ве Lм.т.	14000