Тепловой расчет подогревателя.

При заданном давлении пара Р_п=0,7МПа, температура насыщения t_s=151⁰C. Пар перегрет, имеем две зоны теплообмена:

первая – охлаждение пара от t_п до t_s;

вторая – конденсация насыщенного пара на вертикальных трубах.

Считаем, что переохлаждения конденсата нет. Расчет поверхности проводим отдельно для каждой зоны (Рис.2)

1.1. Определяем параметры теплоносителей при средних температурах воды и пара:

где

- температура воды на входе в подогреватель;

- температура воды на выходе из подогревателя.

.

,

где

- температура перегретого пара, ⁰С;

- температура насыщенного пара,

⁰С

⁰С

1.2. По таблицам физических свойств воды и водяного пара определим их основные параметры

При ⁰С определяем следующие справочные данные:

- теплоемкость воды;

=990,1 -плотность воды;

м²/кг-

м²/с- коэффициент кинематической вязкости воды;

 

 

- коэффициент теплопроводности воды;

- число Прандтля

При определяем:

- теплоемкость пара;

- плотность пара;

- коэффициент кинематической вязкости пара;

- коэффициент теплопроводности пара;

- число Прандтля

1.3. Определяем количество теплоты, передаваемой паром воде

,

- объемный расход воды, ;

- теплоемкость воды.

1.3.1. Вычисляем количество теплоты, передаваемой паром воде в 1-й зоне

,

где

- массовый расход пара, ;

- теплоемкость пара,

1.3.1.1. Определяем расход пара

,

где

- теплота парообразования, определяемая по температуре насыщения пара(), .

1.3.2. Определяем количество теплоты, передаваемой паром воде во 2-й

 

 

зоне

1.3.3. Проверим полученное значение передаваемой паром воде

1.4. Выберем произвольно диаметр трубок:

материал: сталь;

скорость воды: ;

внутренний диаметр: d_вн=0,027 м

наружный диаметр: d_нар=0,029 м

толщина стенок трубок:

1.5. Определяем коэффициент теплоотдачи от внутренней поверхности стенки трубки к воде

, ,

где

- внутренний диаметр трубки, ;

- коэффициент теплопроводности воды,

- критерий Нуссельта для воды.

1.5.1. Определяем режим течения воды в трубах

,

где

- критерий Рейнольдса;

-коэффициент кинематической вязкости воды,

- скорость воды в трубках,

т. к. то режим течения жидкости турбулентный, значит критерий Нуссельта определяем по формуле:

,

где

 

- число Прандтля;

- поправочный коэффициент().

1.6. Вычисляем количество трубок

Выбираем стандартное количество трубок, близкое к полученному значению - .

1.7. Определяем шаг между трубками

1.8. Определяем (по прил. 17) при . =10.Отсюда определяем диаметр трубной решетки ,м.

1.9. Определяем внутренний диаметр корпуса

,

где

- кольцевой зазор между крайними трубками и корпусом аппарата ();

- наружный диаметр трубки, м.

.

1.10. Рассчитаем поверхность теплообмена в 1-й зоне

1.10.1. Определяем площадь межтрубного пространства для прохода пара

.

 

1.10.2. Определяем скорость пара в межтрубном пространстве

,

где

- плотность пара,

- массовый расход пара,

1.10.3. Определяем коэффициент теплоотдачи от пара к трубе

, ,

где

- эквивалентный диаметр, ;

- коэффициент теплопроводности пара,

- критерий Нуссельта для пара.

1.10.3.1. Вычисляем эквивалентный диаметр

, ,

где

- смоченный периметр, .

1.10.3.2. Определяем смоченный периметр

1.10.3.3. Определяем режим течения воды в трубах

,

где

- критерий Рейнольдса;

- коэффициент кинематической вязкости пара,

- скорость пара в трубках,

 

 

т. к. то режим течения жидкости турбулентный, значит критерий Нуссельта определяем по формуле:

,

где

- число Прандтля для пара;

1.10.4. Вычисляем коэффициент теплопередачи в 1-й зоне

, ,

где

- толщина трубки, ;

- толщина накипи, ;

- коэффициент теплопроводности стали трубки, ;

- коэффициент теплопроводности накипи, .

1.10.5. Определяем температурный напор в 1-й зоне

, ,

где

- температура воды на границе между зонами, ,

 

Поверхность теплообмена 1-й зоны составит

,

1.11. Рассчитаем поверхность теплообмена во 2-й зоне

Будем считать, что в этой зоне коэффициент теплоотдачи от внутренней стенки трубки к жидкости равен коэффициенту теплоотдачи в 1-ой зоне. Это допустимо, так как свойства воды во 2-й зоне мало отличаются от свойств воды в 1-й зоне.

Определим коэффициент теплопередачи для 2-й зоны k₂ графоаналитическим методом. Для этого предварительно находим для различных участков перехода теплоты зависимость между удельным тепловым потоком q и перепадом температур Dt.

 

Передача теплоты от пара к стенке.

1.11.1Определяем удельный тепловой поток

1.11.1Определяем удельный тепловой поток

где

– безразмерный коэффициент;

– предполагаемая высота трубок(), .

1.11.1.1. Вычисляем безразмерный коэффициент

Задавшись рядом значений Dt₁, вычислим соответствующие им величины Dt₁^0,75 и q₁. Строим кривую Dt₁ = f(q₁) (рис.3).

 

Таблица 1.1.

Зависимость Dt₁ = f(q₁).

t, °С	t0,75	q1,кВт/м2
44,62	5,6 9,5 12,8 15,9 17,26 18,8	64,49 108,46 147,01 182,41 215,64

Передача теплоты через стенку.

1.11.2.Определяем плотность теплового потока

где

;

Задавшись значениями Dt₂, вычисляем соответствующие им величины q₂. Строим кривую Dt₂ = f(q₂) (рис.3).

Таблица 1.2.

Зависимость Dt₂ = f(q₂).

t, °С	q2,кВт/м2
5,21

 

Передача теплоты через накипь.

 

 

1.11.3. Вычисляем удельный тепловой поток

где

;

Задавшись значениями Dt₃, определим соответствующие им величины q₃. Строим кривую Dt₃ = f(q₃) (рис.3).

Таблица 1.3.

Зависимость Dt₃ = f(q₃).

t, °С	q3,кВт/м2
11,36	87,25 174,5 261,75

 

Передача теплоты от накипи к воде.

1.11.4. Вычисляем удельный тепловой поток

,

где

Задавшись значениями Dt₄, определим соответствующие им величины q₄. Строим кривую Dt₄ = f(q₄) (рис.3).

 

 

Таблица 1.4.

Зависимость Dt₄ = f(q₄).

t, °С	q4, кВт/м2
39,41	24,9 49,79 74,69 99,58 124,48

 

1.11.5. Рассчитаем средний температурный напор во 2-й зоне

, ,

Складываем ординаты четырех зависимостей, строим кривую температурных перепадов. На оси ординат из точки, соответствующей Dt₂, проводим прямую, параллельную оси абсцисс, до пересечения с кривой Dt_å = åf(q_i). Из точки пересечения опускаем перпендикуляр на ось абсцисс и находим значение удельного теплового потока q_гр, кВт/м².

Пусть:

.

.

1.11.6. Определяем коэффициент теплопередачи во 2-й зоне

 

 

1.11.7. Поверхность теплообмена во 2-й зоне составит

1.12. Определяем суммарную поверхность теплообмена

1.13. Вычисляем длину трубок

где

– средний диаметр трубок, м;

Т. к. не рекомендуется устанавливать трубки длиной более 5 м. Следовательно, необходимо уменьшить длину трубок. Для этого выбираем многоходовой подогреватель. Тогдаобщее число трубок составит

, ,

где

- число ходов теплообменника.

Выбираем стандартное количество ходов, близкое к полученному значению - 3

. По ГОСТу n=301 шт.

1.14. Определяем D'при n_ст = 301

1.15.Проведем повторный расчет уже для многоходового теплообменника по формулам 1.9. - 1.13.

Внутренний диаметр корпуса составит

 

 

Площадь межтрубного пространства для прохода пара

Скорость пара в межтрубном пространстве

Определяем коэффициент теплоотдачи от пара к трубе:

Эквивалентный диаметр

Смоченный периметр

Критерий Рейнольдса для пара

Критерий Нуссельта для пара

Коэффициент теплоотдачи от пара к трубе

 

Коэффициент теплопередачи в 1ой зоне

,