ППВТ расчет. Исходные данные Рассчитать пароводяной подогреватель вертикального типа для подогрева воды системы отопления цехов производственных помещений при следующих условиях давление воды рв 0,27 мпа

• Название: Исходные данные Рассчитать пароводяной подогреватель вертикального типа для подогрева воды системы отопления цехов производственных помещений при следующих условиях давление воды рв 0,27 мпа
• Дата: 22.05.2023
• Размер: 402.14 Kb.
• Имя файла: ППВТ расчет.docx
• Тип: Решение; #1149757

Исходные данные

Рассчитать пароводяной подогреватель вертикального типа для подогрева воды системы отопления цехов производственных помещений при следующих условиях: давление воды Р_В = 0,27 МПа; температура воды на входе t’_B = 58 °C; температура воды на выходе t’’_B = 99 °С; расход воды G_B = 510 м³/ч; давление греющего пара МПа; температура греющего пара t_П = 186 °С.
Решение

При заданном давлении пара МПа температура насыщения °С, т.е. пар поступает в подогреватель перегретым, поэтому имеем две зоны теплообмена: 1-я зона – охлаждение пара от t_П = 186 °С до °С; 2-я зона – конденсация насыщенного пара на вертикальных трубах.

Считаем, что переохлаждения конденсата нет. Расчет поверхности теплообмена проводим отдельно для каждой зоны (рис. 1).


Рисунок 1 – Изменение температуры теплоносителей в пароводяном подогревателе

Конструктивный тепловой расчет подогревателя
Количество теплоты, переданной паром воде, составит:
;

,
где – количество теплоты, передаваемой в 1-ой зоне, кВт;

– расход пара, кг/с;

– средняя теплоемкость пара, кДж/(кг·°С);

– температура пара на входе, °С;

– температура насыщения пара, °С;

– количество теплоты, передаваемое во 2-ой зоне, кВт;

– скрытая теплота парообразования, кДж/кг.
Из уравнения теплового баланса определяем расход пара:
.
Определяем параметры теплоносителей при средних температурах воды и пара.
Вода:

= 78,5 °С
При этой температуре:

с_В = 4,1929 кДж/(кг·°С); υ_В = 0,001025 м³/кг; V_В = 0,389·10^-6 м²/с.
Пар:

= 172,04 °С
При этой температуре:

кДж/(кг·°С) (при МПа); кДж/кг (по ).
Тогда количество теплоты, переданной паром воде, кВт:

= 23760 кВт
Расход пара, кг/с:

= 9,325 кг/с
Для расчета коэффициентов теплоотдачи необходимо выбрать геометрические размеры элементов аппарата. Вода движется по трубкам, а пар поступает в межтрубное пространство.

Выбираем латунные трубки диаметром с толщиной стенки м и высотой м. Скорость воды в трубках м/с.

Определяем коэффициент теплоотдачи от внутренней поверхности стенки трубки к воде – :
= 69408,74 > 10000

т.е. режим течения воды турбулентный.
Для турбулентного режима:

.
= 78,4 °С имеем Pr = 2,38; λ_ж = 0,671 Вт/(м·К). Считаем , т.е. . Тогда:
= 242,94
Отсюда получается, Вт/(м²·К):

= 9056,26 Вт/(м²·К)
Определяем количество трубок, шт:

= 367 шт.
Принимаем: шаг между трубками мм, кольцевой зазор между крайними трубками и корпусом аппарата мм.

Из приложения 9 по n = 368 шт. находим
.
Откуда диаметр трубной решетки, мм:
мм.
Внутренний диаметр корпуса составит, м:
м.
Рассчитываем поверхность теплообмена по зонам.
I зона:
Определяем скорость пара в межтрубном пространстве:
,
где – площадь межтрубного пространства для прохода пара, м².
,
при

= 171,04 °С и Р_П = 0,6 МПа определяем υ_П = 0,3567 м³/кг.
Тогда скорость пара, м/с:

= 19,49 м/с.
Для определения коэффициента теплоотдачи от пара к трубе необходимо определить эквивалентный диаметр:
,
где U – смоченный периметр, м.
Определим смоченный периметр, м:
м.
Тогда эквивалентный диаметр, м:
м.
При и находим свойства пара:

м²/с; ; Вт/(м·К).

Принимаем толщину накипи мм, Вт/(м·К).

Для латуни Вт/(м·°С).

Отсюда коэффициент теплопередачи составит, Вт/(м²·К):
Вт/(м²·К).
Поверхность теплообмена первой зоны составит, м²:
.

II зона
Будем считать, что в этой зоне коэффициент теплоотдачи от внутренней стенки трубки к жидкости равен коэффициенту теплоотдачи в I зоне, т.е. Вт/(м²·К). Это допустимо, т.к. свойства воды во II зоне мало отличаются от свойств воды в I зоне.

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

Передача теплоты от пара к стенке. Удельный тепловой поток определяем по формуле
,
где – безразмерный коэффициент:

,
,
Тогда

.
Отсюда
.

Вт/(м²·°С).
Из уравнения теплового баланса для I зоны определим температуру , по которой идет нагрев в I зоне:
.
Откуда температура равна, °С:
.
Средняя логарифмическая разность температур для I зоны составит, °С:
,
где °С,

°С.
Так как толщина стенки трубок мала , расчет коэффициента теплопередачи можно производить по формуле для плоской стенки:
.
Задавшись рядом значений , вычисляем при соответствующие им величины и и сводим их в таблицу 1.
Таблица 1

15	7,62	88855,73
25	11,18	130334,18
50	18,80	219201,56
60	21,56	251342,11
70	24,20	282130,36
80	26,75	311341,42
90	29,22	340642,01

Строим кривую , показанную на рисунке 2.


Рисунок 2 – Графики зависимостей и

Передача теплоты через стенку

Для латунной стенки Вт/(м·°С), при этом
Вт/м²,
т.е. связь между и изображается графически прямой линией. Задавшись двумя значениями , наносим эту прямую на график (рис. 2).

5	523350
10	1046700

Передача теплоты через накипь

Вт/м2.

Задавшись несколькими значениями , определяем и наносим эту прямую на график (рис. 2).

20	348900
30	523350
40	697800

Передача теплоты от накипи к воде

Вт/м2.

Задавшись несколькими значениями , определяем и наносим эту прямую на график (рис. 2).

30	2628664
40	350488,5

Складываем ординаты четырех зависимостей, строим суммарную кривую температурных перепадов.

Для определения значения необходимо рассчитать средний температурный напор для II зоны, °С:
,
где °С,

°С.
На оси ординат из точки, соответствующей , проводим прямую, параллельную оси абсцисс, до пересечения с суммарной кривой. Из точки пересечения опускаем перпендикуляр на ось абсцисс и находим значения Вт/м².

Определяем коэффициент теплопередачи для второй зоны, Вт/(м²·К):
.
Поверхность теплообмена второй зоны составит, м²:
.
Суммарная поверхность теплообмена составит, м²:
.
Определяем длину трубок, м:
,
где мм.
Специалисты не рекомендуют устанавливать трубки длиной более 4 м. Следовательно, необходимо уменьшить длину трубок.

Для этого сделаем подогреватель двухходовым. Тогда общее число трубок составит шт, . Отсюда мм.
Диаметр аппарата составит:
мм.
Сделаем повторный расчет. Так как расчеты аналогичны приведенным выше, то пояснения не приводятся.
Определяем поверхность нагрева
I зона
Определим площадь межтрубного пространства для прохода пара, м²:
.
Определяем скорость пара в межтрубном пространстве, м/с:
.
Определим смоченный периметр, м:
.
Тогда эквивалентный диаметр, м:

.

.
Отсюда
.

Вт/(м²·К).
Без изменения остаются значения °С и °С; Вт/(м²·К).
Следовательно, коэффициент теплопередачи составит, Вт/(м²·К):
.
Поверхность теплообмена первой зоны составит, м²:
.
II зона
Принимаем длину труб м.

Теплоотдача от пара к стенке Вт/м².

15	7,622	105667,86
25	11,18	154994,32
50	18,80	260676,05
60	21,56	298897,82
70	24,20	335511,41
80	26,75	370849,56
90	29,22	405092,49

Передача теплоты через стенку Вт/м².

Передача теплоты через слой накипи Вт/м².

Передача теплоты от накипи к воде Вт/м².

Из графика определяем Вт/м².
Определяем коэффициент теплопередачи для второй зоны, Вт/(м²·К):
.
Поверхность теплообмена второй зоны составит, м²:
.
Суммарная поверхность теплообмена составит, м²:
.
Определяем длину трубок, м:
.
Принимаем длину трубок м.
Гидравлический расчет подогревателя
Полный напор , необходимый для движения жидкости или газа через теплообменник, определяется по формуле:
,
где – сумма гидравлических потерь на трение;

– сумма потерь напора в местных сопротивлениях;

– сумма потерь напора, обусловленных ускорением потока;

– перепад давления для преодоления гидростатического столба жидкости.
В случае рассматриваемого примера расчета пароводяного подогревателя полный напор, необходимый для движения воды через аппарат, составит:
,

т.к. и .

Коэффициент сопротивления трения для чистых латунных трубок можно рассчитать по формуле:
.
Значения критерия Рейнольдса, рассчитанное ранее, составляет .
Тогда коэффициент сопротивления трения равен:
.
В результате гидравлические потери на трение в каналах при продольном омывании пучка труб теплообменного аппарата составят, Па:
,

где кг/м³ – плотность воды при и МПа.
Потери давления в подогревателе определяем с учетом дополнительных потерь от шероховатости в результате загрязнений труб и потерь от местных сопротивлений. По таблице П. 18 находим значения коэффициентов местных сопротивлений.

Вход в камеру	1,5
Вход в трубки	1,0
Выход из трубок	1,0
Поворот на 180 °	2,5
Выход из камеры	1,5

Принимаем скорость воды в патрубках м/с. В случае рассчитанного подогревателя для чистых латунных труб коэффициент загрязнения принимаем .
Тогда сумма потерь давления в местных сопротивлениях составит, Па:

Потери давления в подогревателе составят, Па:
.
Мощность, необходимая для перемещения воды через подогреватель (т.е. мощность на валу насоса), определяется по формуле:
,
где – объемный расход жидкости, м³/с;

η – КПД насоса.
Тогда мощность, необходимая для перемещения воды через подогреватель, составит, кВт:
.
Определение размеров патрубков

а) для воды (входной и выходной патрубки):

площадь составит, м²:

;
диаметр, см:

,

при условии, что толщина стенок мм;
б) патрубок для входа пара:

Принимаем скорость пара в патрубке м/с. При средней температуре пара кг/м³

площадь составит, м²:

;
диаметр, см:

,

при условии, что толщина стенок мм;

в) патрубок для выхода конденсата:

Принимаем скорость конденсата в патрубке м/с,

площадь составит, м²:

,

где кг/м³ при °С;
диаметр, см:

,

при условии, что толщина стенок мм;
г) патрубок для откачки воздуха (принимаем расход воздуха кг/с; скорость воздуха м/с:

площадь составит, м²:

,

где кг/м³ при °С;
диаметр, см:

,

при условии, что толщина стенок мм.
Обобщение результатов расчета
В результате проведенных расчетов разработан подогреватель, имеющий следующие характеристики.

Расход воды – 510 м³/ч или 0,14 м³/с.

Расход греющего пара – 9,356 кг/с.

Температура:

воды на входе – 58 °С;

воды на выходе – 99 °С;

пара на входе – 186 °С ( МПа);

конденсата – 158,08 °С.

Размеры подогревателя:

внутренний диаметр корпуса – 880 мм;

толщина стенок корпуса – 10 мм;

высота трубок – 2000 мм.

Число ходов – 2.

Число трубок – 736 шт.

Поверхность нагрева – 83,114 м².

Необходимая мощность насоса – не менее 2,376 кВт.