Учебная работа. Расчет теплообменного аппарата

1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд (Пока оценок нет)
Загрузка...

Расчет теплообменного аппарата

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

.Коэффициент избытка воздуха за двигателем α = 2,5

.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=350º

6.Газодинамическое сопротивление УК Δh=33,3 кПа

.Производительность УК — 3000 КГ/ч

.температура перегретого пара tпп=140ºС

.Температура питательной воды tпв=85ºС

Рис. 1 Принципиальная схема

(1-масляный насос, 2- питательный насос, 3 — насос системы охлаждения)

. Расчет параметров потоков продуктов сгорания и пароводяной среды

теоретически необходимое количество сухого воздуха для сжигания 1 кг топлива:=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:

И = (α-1)·V0=(2,5-1)·10,78=16,17 мн3/кг

Действительный объем паров воды:

=+0,0161(α-1)·V0=1,51+0,0161(2,5-1)·10,78=1,77 мн3/кг

объем кислорода:

=0,21(α-1)·V0=0,21(2,5-1)·10,78=3,39 мн3/кг

Действительный объем азота:

=+0,79·V0(α-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

vº,С= 1,595 мн3/кг= 21,295 мн3/кг= 1,77 мн3/кг= 3,39 мн3/кг,

МДж/кг, кДж мн3·ºС, кДж

кг·ºС, кДж мн3·ºС, кДж

кг·ºС, кДж мн3·ºС, кДж

кг·ºС1001,70032,71831,295827,59241,50522,65971,31764,47423,742001,78732,85741,299627,67331,52322,69151,33524,53397,553001,86272,97791,306727,82451,52442,69361,35614,604911,434001,92973,08501,316828,03951,56642,76781,37754,677615,435001,98873,15611,327628,26951,58972,80891,39804,747219,49

Энтальпия продуктов сгорания определяется по формуле:

, МДж/кг

По данным таблицы 1 строим диаграмму (рис. 2)., 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=350ºС (за дизельгенератором) и при v=120ºС (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:

= B(I1-I2)= G·Ср(t’-t»)= k·Δt·Н= Q2 = Q3 = 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 φ=0,95-0,98, принимаем 0,96

Коэффициент утилизации теплоты

. Расчет геометрических характеристик поверхностей нагрева

Принимаем диаметр несущей трубы d1=25 мм (для экономайзера), толщину стенки δ1=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 λ=4,372·102 Вт/(м2·ºС), кинематическая вязкость υ=35,775·10-6 м2/с.

Величины принимаются по средней температуре продуктов сгорания.

При коридорном пучке труб число Рейнольдса должно находится в пределах Rе=1,5·103÷100·103

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 1,5Сs определяется по следующей формуле для коридорного расположения, при

107 Вт/(м2·ºС)

Коэффициент теплопередачи:

Вт/(м2·ºС) , где Е=0,01 (м2·ºС)/Вт

Средний температурный напор:

, где:

ΔtБ — большая разность температур между обменивающимися теплом средами

ΔtБ = vвых-tпп=350-140=210ºС;

ΔtМ — меньшая разность температур между обменивающимися теплом средами

ΔtМ = vвх-tпв=120-85=35ºС.

Подставляем значения коэффициента теплопередачи и среднего температурного напора в уравнение теплового потока и получим полную наружную поверхность нагрева.

=К·Δt·Н

,498·106=51,81·98·Н =>м2

Число труб:

тр , где:

жс=0,324 м2 — живое сечение для прохода газа;=25 мм — диаметр несущей трубы=31 мм — шаг в поперечном направлении

Полная наружная поверхность одного ряда:

ТР=π·d·L·n=3,14·0,025·1·50=3,925 м2

Число рядов труб в трубном пучке

рядов

. Проверка значений газодинамических сопротивлений

значения проверяются при входе в экономайзер, при проходе через трубный пучок, при выходе из экономайзера.

Таблица 2

Сечение прохода газовКоэффициент трения ξКоэффициент теплопроводности Вт/м2·°СLУПГ/DэСопротивление Δh, ПаПриемная камера0,5—51,8425,92Трубный пучок (экономайзер)4,3—51,84222,91Выхлопная камера1,1—51,8457,02Сопротивление трения УК-4,372·10-21,8951,844,28Суммарное 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:ст1, 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;

α1 -коэффициент теплоотдачи от продуктов сгорания к стенке при vвых=350°С,

α2 — коэффициент теплоотдачи от стенки изоляции в МКО, α2=8-10 Вт/м2·°С;

λ — коэффициент теплопроводности теплоизоляционного материала, в качестве теплоизоляционного материала выбираем минеральную пену с λ=0,05 Вт/м2·°С;

δ — толщина стенки теплоизоляции.

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 λ=5,27·10-2 Вт/м2·°С,

кинематическая вязкость υ=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

. 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, °C —максимальная 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, υ=0,272·10-6м2/с, λ=68,5·10-2 Вт/м2·°С:

Определение максимальной температуры стенки:

=>°С

Определение минимальной температуры стенки:

=>°С

. Расчет долговечности экономайзера

Диффузия паров серной кислоты при Т = 235°С = 508К:

Диффузионный критерий Рr при Т = 235°С = 508К, υ=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:

φ(τ) — временная функция, определяющая периодичность чистки УПГ. Принимаем периодичность чистки каждые 24 часа, следовательно, временную функцию можно записать в виде: φ(τ)=1,32·τ-0,405

кг/м2·ч

Скорость коррозии со стороны воды: принимаем 0,25 мм/год

кг/м2·ч

Долговечность:

,

где:

Δδкор=1,5 мм — утонение стенки трубы от коррозии со стороны воды и Н2SО4

года

Учебная работа. Расчет теплообменного аппарата