Материал: Расчет трубчатого теплового аппарата

Расчет трубчатого теплового аппарата

Курсовая работа

Расчет трубчатого теплового аппарата

Задание

котел утилизатор тепловой газотурбинный

Спроектировать котёл утилизатор, уходящий газов для параметров газотурбинной установки ГТУ - 8 РМ. Температура воды на входе в утилизатор , температура перегретого водяного пара на выходе , давление пара . Расход уходящих газов , температура газов , температура газов на выходе из утилизатора .

Введение

Теплообменным аппаратом называют устройство, в котором осуществляется процесс передачи теплоты от одного теплоносителя к другому. Необходимость передачи теплоты возникает во многих отраслях техники.

По принципу действия теплообменные аппараты могут быть разделены на рекуперативные, регенеративные и смесительные.

Рекуперативными называются такие аппараты, в которых тепло от горячего теплоносителя к холодному передается через разделяющую их стенку. Процесс теплообмена протекает непрерывно и имеет обычно стационарный характер. Рекуперативные теплообменники подразделяют в зависимости от направления движения теплоносителей. Если теплоносители движутся параллельно в одинаковом направлении, теплообменник называют прямоточным, при противоположном направлении движения - противоточным. В теплообменнике с перекрестным потоком теплоносители движутся во взаимно перпендикулярных направлениях, при этом возможен однократный и многократный перекрестный ток.

Конструктивно рекуперативные теплообменники могут выполняться с пластинчатыми и трубчатыми рабочими поверхностями. Рабочей поверхностью теплообменника называется стенка, которая омывается с обеих сторон теплоносителями. Примером таких аппаратов являются парогенераторы, подогреватели, конденсаторы и т.п.

Регенеративными называются такие аппараты, в которых одна и та же поверхность нагрева омывается то горячим, то холодным теплоносителем. При протекании горячей жидкости тепло воспринимается стенками аппарата и аккумулируется в них. При протекании холодной жидкости ранее аккумулированная теплота ею воспринимается. Примерами таких аппаратов являются регенераторы мартеновских и стеклоплавильных печей, воздухоподогреватели доменных печей и т.п.

В рекуперативных и регенеративных аппаратах процесс передачи теплоты неизбежно связан с поверхностью твердого тела. Поэтому такие аппараты называются также поверхностными.

В смесительных аппаратах процесс теплопередачи происходит путем непосредственного соприкосновения и смешения горячего и холодного теплоносителей. Примером таких аппаратов являются башенные охладители (градирни), скрубберы и другие.

Специальные названия теплообменных аппаратов обычно определяются их назначением, например парогенераторы, печи, водонагреватели, испарители, перегреватели, конденсаторы, сушильные аппараты и т.д. Однако, несмотря на большое разнообразие теплообменных аппаратов по виду, устройству, принципу действия и рабочим телам задачами решается одна и та же - передача теплоты от горячей жидкости к холодной. Поэтому и основные положения теплового расчета для них остаются общими.

По характеру движения теплоносителей относительно теплопередающей поверхности теплообменные аппараты делят на три типа: с естественной циркуляцией, с принудительной циркуляцией, с движением жидкости под действием сил гравитации. К теплообменным аппаратам с естественной циркуляцией относятся испарители, выпарные аппараты, водогрейные и паровые котлы, у которых теплоноситель движется благодаря разности плотностей жидкости и образующейся парожидкостной смеси. К теплообменным аппаратам с принудительной циркуляцией относятся рекуперативные теплообменники, выпарные аппараты, испарители, а к аппаратам с движением жидкости под действием сил гравитации - конденсаторы, оросительные теплообменники.

По роду теплового режима теплообменные аппараты могут быть со стационарными процессами теплообмена. Рекуперативные теплообменные аппараты в основном работают в установившемся стационарном режиме, а регенеративные - в нестационарном режиме.

По виду поверхности теплообмена рекуперативные теплообменные аппараты делят на кожухотрубные, пластинчатые, трубчатые.

1. Теоретическая часть

Трубчатые теплообменные аппараты характеризуются простой конструкцией, малыми габаритами, высоким уровнем теплопередающей мощности и адекватной ценой. Такой тип теплообменников получил широкое применение в области химического производства.

Конструкция трубчатого теплообменника состоит из резервуара, выполненного в форме цилиндра, в который встроена трубная секция. Трубная секция представляет собой блок из параллельно проложенных трубок, которые закреплены в трубных решетках или досках. Трубчатый теплообменник оснащен двумя камерами (полостями): трубной полостью и полостью корпуса. В трубной секции течет одно вещество, а в межтрубном пространстве корпуса - другое. Эффективность процесса теплообмена повышается посредством поворота направляющих щитков в корпусе, что способствует изменению направления течения среды.

В конструкциях, где доступ к трубкам снаружи затруднен, среда, находящаяся внутри корпуса, не должна способствовать образованию отложений. Трубки в таких аппаратах можно очистить только предварительно удалив боковые обечайки.

Конструкция теплообменного аппарата с U-образными трубками представляет собой одну трубную решетку, в которую вварены U-образные трубки. Округленная часть трубки свободно опирается на поворотные щитки в полости корпуса. К плюсам такого типа конструкции можно отнести возможность линейно расширять трубки, что обеспечивает возможность работ при большем перепаде температур. Для того, чтобы очистить трубки, необходимо вынуть из корпуса всю трубную секцию. Очищение возможно только путем химической очистки.

Трубчатые теплообменные аппараты могут применяться в качестве конденсаторов. В таких случаях, теплообменники располагают в вертикальном или наклонном положении. В полость корпуса поступает пар, где он и конденсируется. Конденсат накапливается в углублении, после чего подается наружу. Пары, которые не конденсируются, выводятся посредством вытяжного клапана. Охлаждающая среда течет по трубам.

Трубчатые теплообменные аппараты часто используются в испарителях, где устанавливаются в вертикальном или наклонном положении. Испаряющаяся среда течет вниз по открытым трубкам. Она закипает и в виде пузырьков пара разбрызгивается в камере испарителя. Греющий пар находится внутри полости корпуса. В соответствии с выбранным режимом, испарители могут быть: проточными аппаратами (жидкость протекает через испаритель только один раз); аппаратами естественной циркуляции (жидкость течет в замкнутом цикле по рециркуляционной трубке).

Трубчатые теплообменники часто используются в отопительных котлах.

2. Методика расчёта теплообменного аппарата

.1 Тепловой конструктивный расчет

Основополагающими соотношениями для теплового расчета любого теплообменного аппарата являются уравнения теплового баланса и теплопередачи. Основным моментом расчета является, как правило, определение значения среднего для всей поверхности теплообмена коэффициента теплопередачи k.

Уравнение теплового баланса для поверхностного аппарата в общем случае имеет вид

где Q - тепловая мощность аппарата, кВт;

G₁, G₂ - массовые расходы первичного и вторичного теплоносителей, кг/с;

С_p1, с_р2 - теплоемкости первичного и вторичного теплоносителей, кДж/(кг-К);

, - температуры первичного и вторичного теплоносителей на входе в аппарат, ⁰С;

, - температуры первичного и вторичного теплоносителей на выходе из аппарата, ⁰С.

Тогда выражение для нахождения температуры дымовых газов будет выглядеть так:

Используя уравнение теплового баланса, найдем температуру дымовых газов, для этого определим количество теплоты, передаваемого в единицу времени:

Далее необходимо рассчитать средний температурный напор:

Уравнение теплопередачи запишем следующим образом:

Площадь теплоотдачи:

Параметры воды и дымовых газов при средних температурах:

Площадь поперечного сечения:

Найдем число Рейнольдса для течения теплоносителя в трубочках:

Количество трубочек:

Далее находим число Нуссельта:

Коэффициент теплоотдачи внутри трубок:

Находим скорость дымовых газов обтекающих трубочки:

Где F - площадь площади входа и выхода теплоносителя;

Определим коэффициент теплоотдачи со стороны дымовых газов. Найдем число Нуссельта:

Коэффициент теплоотдачи:

Определим коэффициент теплопередачи по формуле для цилиндрической поверхности:

Рассчитаем площадь теплообмена по формуле:

Определим общую длину труб теплообменника как:

Где  - средний диаметр трубочек.

Расчётная часть

Схема трубчатого теплообменного аппарата

Для расчёта теплообменного аппарата, примем противоточную схему теплоносителей. В качестве поверхностного теплообмена будем использовать трубчатую матрицу.

Для начала необходимо составить уравнение теплового баланса, для трёх участков теплообменного аппарата.

Величина теплового потока для всего ТА:

.

Расход: ;

Теплоёмкость: .

.

Определим расход пара:

 .

Величина теплового потока на первом участке:

.

Температура дымовых газов в начале участка испарения воды:

.

Величина теплового потока на втором участке:

 .

Величина теплового потока на третьем участке:

.

Температура дымовых газов на выходе из участка испарения:

.

При средней температуре  на первом участке, вода имеет физические характеристики:

l₁ = 0,68589 Вт/(м×К),

r₁ = 941,42 кг/м³,

n₁ = 0,238×10^-6 м²/с,

Примем скоростью движения воды в трубочках w₂^I = 0.5 м/с, При заданных параметрах условию удовлетворяет значение внутреннего диаметра трубки . Найдём число Рейнольдса:

Так как Re > 10⁴, то режим движения потока является турбулентным.

Рассчитаем количество трубочек на первом участке:

.

Принимаем количество трубок  = 32, трубки размещаются в шахматном порядке:

Схема расположения трубок

Принимаем шаг между осями труб в ряду .

Рассчитаем длину трубки, на всём участке теплообмена.

Примем коэффициент теплопередачи .