Расчет теплообменного аппарата
Проверка значений газодинамических сопротивлений Значения проверяются при входе в экономайзер, при проходе через трубный пучок, при выходе из экономайзера. Л — коэффициент теплопроводности теплоизоляционного материала, в качестве теплоизоляционного материала выбираем минеральную пену с л=0,05 Вт/м2· °С; Расчет параметров потоков продуктов сгорания и пароводяной среды Теоретически необходимое… Читать ещё >
Расчет теплообменного аппарата (реферат, курсовая, диплом, контрольная)
Санкт-Петербургский Государственный Морской Технический Университет Кафедра энергетики Курсовая работа по теме.
«Расчет теплообменного аппарата».
Выполнил:
студентка группы 2530.
Фомина А.С.
Проверил:
Проценко Г. В.
Санкт-Петербург.
Введение
В данной работе приводятся расчеты, которые необходимы для определения тепловых, газодинамических и геометрических характеристик элементов судового утилизационного котла, предназначенного для подогрева воды, поступающей в котел, за счет продуктов сгорания.
Утилизационный котел представляет собой теплообменник, составленный из труб, согнутых в горизонтальные змеевики, и скомпанованных в пакеты. Схема расположения пакетов выбрана коридорная, так как при таком устройстве лучше обеспечивается ремонт и техническое обслуживание.
1. Исходные данные.
1. Мощность двигателя Nе=1000 кВт.
2. Удельный расход топлива bе=0,2 кг/кВт· ч.
3. Коэффициент избытка воздуха за двигателем б = 2,5.
4. Элементарный состав топлива по рабочей массе:
Ср = 85,6%, Нр = 11,9%, Sр = 0,2%, Ор = 0,4%, Nр = 0,4%, Wр = 1%, Ар = 0,5%.
5. Температура продуктов сгорания при выходе из двигателя V1=350є.
6. Газодинамическое сопротивление УК Дh=33,3 кПа.
7. Производительность УК — 3000 КГ/ч.
8. Температура перегретого пара tпп=140єС.
9. Температура питательной воды tпв=85єС Рис. 1 Принципиальная схема.
(1-масляный насос, 2- питательный насос, 3 — насос системы охлаждения).
2. Расчет параметров потоков продуктов сгорания и пароводяной среды Теоретически необходимое количество сухого воздуха для сжигания 1 кг топлива:
V0 =0,0889· (Ср+0,375·Sр)+0,267·Нр-0,0333·Ор=0,0889·(85,6+0,375·0,2)+0,267·11,9−0,0333·0,4 = 10,78 мн3/кг Теоретический объем азота:
=0,79· V0+8·10−3·Nр=0,79·10,78+8·10−3·0,4=8,52 мн3/кг Объем сухих трехатомных газов СО2 и SО2:
=1,866· 10−2(Ср+0,375·Sр)=1,866·10−2(85,6+0,375·0,2)=1,595 мн3/кг Теоретический объем паров воды:
=0,111· Нр+0,0124·Wр+0,0161·V0=0,111·11,9+0,0124·1+0,0161·10,78=1,51 мн3/кг Избыточный объем воздуха:
VИ = (б-1)· V0=(2,5−1)·10,78=16,17 мн3/кг Действительный объем паров воды:
=+0,0161(б-1)· V0=1,51+0,0161(2,5−1)·10,78=1,77 мн3/кг Объем кислорода:
=0,21(б-1)· V0=0,21(2,5−1)·10,78=3,39 мн3/кг Действительный объем азота:
=+0,79· V0(б-1)=8,52+0,79·10,78(2,5−1)=21,295 мн3/кг Объем продуктов сгорания.
= 1,595+21,295+1,77+3,39=28,05 мн3/кг Объемная доля:
— сухих трехатомных газов СО2 и SО2.
— паров воды.
— азота.
— кислорода Проверка:
0,057+0,063+0,759+0,121=1.
Кажущаяся молекулярная масса продуктов сгорания:
44· 0,057+28·0,759+18·0,063+32·0,121= =28,77 кг/моль Плотность продуктов сгорания (при нормальных физических условиях):
кг/ мн3.
Расход топлива на двигатель:
кг/с Объемный расход продуктов сгорания:
28,05· 0,056=1,57 мн3/с Массовый расход продуктов сгорания:
1,28· 1,57=2,0096 кг/с.
Таблица 1.
Энтальпия продуктов сгорания.
vє, С. | = 1,595 мн3/кг. | = 21,295 мн3/кг. | = 1,77 мн3/кг. | = 3,39 мн3/кг. | . МДж/кг. | |||||
кДж мн3· єС. | кДж кг· єС. | кДж мн3· єС. | кДж кг· єС. | кДж мн3· єС. | кДж кг· єС. | кДж мн3· єС. | кДж кг· єС. | |||
1,7003. | 2,7183. | 1,2958. | 27,5924. | 1,5052. | 2,6597. | 1,3176. | 4,4742. | 3,74. | ||
1,7873. | 2,8574. | 1,2996. | 27,6733. | 1,5232. | 2,6915. | 1,3352. | 4,5339. | 7,55. | ||
1,8627. | 2,9779. | 1,3067. | 27,8245. | 1,5244. | 2,6936. | 1,3561. | 4,6049. | 11,43. | ||
1,9297. | 3,0850. | 1,3168. | 28,0395. | 1,5664. | 2,7678. | 1,3775. | 4,6776. | 15,43. | ||
1,9887. | 3,1561. | 1,3276. | 28,2695. | 1,5897. | 2,8089. | 1,3980. | 4,7472. | 19,49. | ||
Энтальпия продуктов сгорания определяется по формуле:
МДж/кг По данным таблицы 1 строим диаграмму (рис. 2).
I, МДж/кг.
v, °С Рис. 2. Зависимость температуры от энтальпии.
3. Расчет теплового баланса УК сгорание экономайзер тепловой газодинамический С помощью диаграммы I=f (v) находим значения энтальпий при v=350єС (за дизельгенератором) и при v=120єС (за УПГ). Энтальпия продуктов сгорания:
при выходе из экономайзера I1=13,4 МДж/кг, при входе в экономайзер I2= 4,5 МДж/кг Тепловой поток, воспринимаемый пароводяной средой:
Q1 = B (I1-I2).
Q2 = G· Ср (t'-t'').
Q3 = k· Дt·Н.
Q1 = Q2 = Q3 = Q.
Q = 0,056· (13,4−4,5)=0,498 МДж/кг Отсюда:
Расход воды на УПГ кг/с Расход воды на ТА кг/с Коэффициент сохранения тепла ц=0,95−0,98, принимаем 0,96.
Коэффициент утилизации теплоты.
4. Расчет геометрических характеристик поверхностей нагрева Принимаем диаметр несущей трубы d1=25 мм (для экономайзера), толщину стенки д1=1,5 мм.
Средняя температура продуктов сгорания Объемный расход продуктов сгорания.
м3/с Скорость продуктов сгорания выбираем в пределах W=8−10 м/с, принимаем W=9 м/с.
Живое сечение для прохода газов м2.
Теплофизические характеристики продуктов сгорания: число Прандтля Рr=1, коэффициент теплопроводности л=4,372· 102 Вт/(м2· єС), кинематическая вязкость х=35,775· 10−6 м2/с.
Величины принимаются по средней температуре продуктов сгорания.
При коридорном пучке труб число Рейнольдса должно находится в пределах Rе=1,5· 103ч100·103.
Коэффициент теплоотдачи:
где:
Сz — поправка на число рядов трубного пучка, принимаем Сz=1, так как принимаем в начале расчетов zi>10.
Сs — поправка, учитывающая компоновку трубного пучка, при условии 1,5<3 и S2/d<2,.
Сs определяется по следующей формуле для коридорного расположения, при.
107 Вт/(м2· єС) Коэффициент теплопередачи:
Вт/(м2· єС), где Е=0,01 (м2· єС)/Вт Средний температурный напор:
где:
ДtБ — большая разность температур между обменивающимися теплом средами ДtБ = vвых-tпп=350−140=210єС;
ДtМ — меньшая разность температур между обменивающимися теплом средами ДtМ = vвх-tпв=120−85=35єС.
Подставляем значения коэффициента теплопередачи и среднего температурного напора в уравнение теплового потока и получим полную наружную поверхность нагрева.
Q3=К· Дt·Н.
0,498· 106=51,81·98·Н =>м2.
Число труб:
тр, где:
Fжс=0,324 м2 — живое сечение для прохода газа;
d=25 мм — диаметр несущей трубы.
S1=31 мм — шаг в поперечном направлении Полная наружная поверхность одного ряда:
FТР=р· d·L·n=3,14·0,025·1·50=3,925 м².
Число рядов труб в трубном пучке рядов.
5. Проверка значений газодинамических сопротивлений Значения проверяются при входе в экономайзер, при проходе через трубный пучок, при выходе из экономайзера.
Таблица 2.
Сечение прохода газов. | Коэффициент трения о. | Коэффициент теплопроводности Вт/м2· °С. | LУПГ/Dэ. | Сопротивление Дh, Па. | ||
Приемная камера. | 0,5. | ; | ; | 51,84. | 25,92. | |
Трубный пучок (экономайзер). | 4,3. | ; | ; | 51,84. | 222,91. | |
Выхлопная камера. | 1,1. | ; | ; | 51,84. | 57,02. | |
Сопротивление трения УК. | ; | 4,372· 10−2. | 1,89. | 51,84. | 4,28. | |
Суммарное сопротивление. | ; | ; | ; | ; | 310,13. | |
Суммарное сопротивление составляет 310,13 Па, что меньше заданного газодинамического сопротивления 33,3 кПа.
6. Расчет тепловой изоляции экономайзера Тепловой поток через изоляцию:
.
где:
tст1, tст2 — температуры изоляции стенки со стороны экономайзера и со стороны МКО соответственно, tст2=50°С — температура изоляции стенки со стороны экономайзера, tмко=30°С — температура в машинно-котельном отделении;
б1 -коэффициент теплоотдачи от продуктов сгорания к стенке при vвых=350°С, б2 — коэффициент теплоотдачи от стенки изоляции в МКО, б2=8−10 Вт/м2· °С;
л — коэффициент теплопроводности теплоизоляционного материала, в качестве теплоизоляционного материала выбираем минеральную пену с л=0,05 Вт/м2· °С;
д — толщина стенки теплоизоляции.
Вт/м2.
Объемный расход продуктов сгорания:
м3/с Скорость продуктов сгорания:
м/с Теплофизические характеристики продуктов сгорания при vвых=350°С:
число Прандтля Рr=0,645,.
коэффициент теплопроводности л=5,27· 10−2 Вт/м2· °С, кинематическая вязкость х=50,85· 10−6 м2/с.
Коэффициент теплоотдачи от продуктов сгорания к стенке при vвых=350°С:
12,7 Вт/м2· °С, где:
Отсюда получаем:
°С.
; =>м.
7. Определение изменения температуры по высоте стенки Тепловой баланс при максимальной и минимальной температурах:
где:
vmax=350°C, vmin=120°C — максимальная и минимальная температуры продуктов сгорания соответственно,.
°C, °Cмаксимальная и минимальная температура воды, соответственно,.
-максимальная и минимальная температура трубы, соответственно.
Определение объемного расхода воды на один змеевик.
м3/с Определение значения скорости среды в трубе:
м/с Определение коэффициента теплоотдачи при Рr=1,6, х=0,272· 10−6м2/с, л=68,5· 10−2 Вт/м2· °С:
Определение максимальной температуры стенки:
=>°С Определение минимальной температуры стенки:
=>°С.
8. Расчет долговечности экономайзера Диффузия паров серной кислоты при Т = 235 °C = 508К:
Диффузионный критерий Рr при Т = 235 °C = 508К, х=34,6· 10−6 м2/с:
Коэффициент массообмена:
Объем оксида серы:
0,007· 0,2 =0,0014 м3/кг Объемная доля оксида серы:
Парциальное давление SO2:
4,99· 10−5·10−5=4,99 МПа Степень превращения SO2 в SO3.
%.
Парциальное давление SO3.
МПа Поток кислоты:
кг/м2· с Скорость коррозии от кислоты:
.
где:
ц (ф) — временная функция, определяющая периодичность чистки УПГ. Принимаем периодичность чистки каждые 24 часа, следовательно, временную функцию можно записать в виде: ц (ф)=1,32· ф-0,405.
кг/м2· ч Скорость коррозии со стороны воды: принимаем 0,25 мм/год кг/м2· ч Долговечность:
.
где:
Ддкор=1,5 мм — утонение стенки трубы от коррозии со стороны воды и Н2SО4.
года.