Тепловой расчет подогревателя питательной воды низкого давления (ПНД)

Тепловой расчет подогревателя питательной воды низкого давления (ПНД)

Введение

Цель: овладение студентами методами расчета процессов теплоотдачи и теплопередачи в пароводяных теплообменных аппаратах. Знакомство в ходе этих расчётов с влиянием на интенсивность теплоотдачи при конденсации пара, турбулизации режима стекания плёнки конденсата на вертикальных трубах и с влиянием скорости поперечного потока пара, проходящего через пучок горизонтальных труб. В расчётах по всем трём заданиям работы применяются методы последовательных приближений и графоаналитический метод, которые широко применяются в расчётной практике. Закрепление навыков в работе со справочным материалом, в том числе с таблицами теплофизических свойств воды и водяного пара. Выполнение дополнительных заданий позволяет развить представления о влиянии различных факторов на интенсивность процессов теплообмена и о возможных направлениях их интенсификации.

Общие сведения

Назначение регенеративных подогревателей питательной воды низкого давления и подогревателей сетевой воды - использование в качестве греющей среды пара промежуточных отборов турбин для снижения потерь теплоты в конденсаторах и повышение термического КПД тепловых электрических станций и ТЭЦ.

Вертикальные пароводяные теплообменные аппараты

Подогреватели питательной воды низкого давления (ПНД)

На отечественных турбоустановках используются, главным образом, поверхностные подогреватели питательной воды вертикального типа [2, 3, 4]. Один из таких подогревателей, ПН-700-29-7-1 представлен на рис.1. Маркировка подогревателей отражает следующие данные: буквенное обозначение - назначение аппарата (ПН - подогреватель питательной воды низкого давления), первое число - площадь поверхности теплообмена (700 м2), второе и третье числа соответственно - давление воды в трубах и пара в корпусе аппарата, кгс/м2 (29 и 7), четвёртое число - модификация аппарата (1). В качестве греющей среды используется перегретый пар промежуточных отборов турбин. В некоторых случаях, при высокой максимальной температуре пара в подогревателях предусмотрен специальный отсек для охлаждения перегретого пара (ОП). В этом отсеке, площадь поверхности теплообмена которого обычно не превышает 10 - 15% от всей поверхности теплообмена, пар охлаждается до температуры, превышающей температуру насыщения на 10 - 15 °С. Большая часть подогревателей состоит только из одной секции теплообмена - зоны конденсации пара (КП), где происходит охлаждение пара и его полная конденсация на наружной поверхности вертикальных труб, внутри которых движется нагреваемая питательная вода.

Вода (основной конденсат) поступает по патрубку А в водяную камеру 1, которая имеет перегородки для организации многоходового движения воды. Число ходов воды в U-образных трубках 4 ПНД обычно - четыре или шесть. Концы трубок завальцованы в трубной доске 2, которая жёстко прикреплена к корпусу 3 и подвешена на своде водяной камеры с помощью анкерных болтов. Подогретая питательная вода выходит из водяной камеры по патрубку Б, на рис.1 он показан в створе с патрубком А. Пар поступает в подогреватель по патрубку В.

Давление пара в ПНД не должно превышать на ТЭС 0,98 МПа, а на АЭС - 1,57 МПа, а нагреваемого конденсата на ТЭС - 3,14 МПа, а на АЭС - 4,12 МПа [4]. Трубная система 4 набирается из U - образных трубок диаметром 16 и с толщиной стенки 1 мм. Внутри корпуса установлены промежуточные перегородки для организации поперечного многоходового движения пара. На рис.1 показан также патрубок Д для поступления дренажа из других ПНД. В расчётах по данной работе теплообмен при смешивании конденсатов не рассматривается.

Рис 1. Подогреватель низкого давления ПН-700-29-7-1

А, Б - вход и выход нагреваемого конденсата, В - вход греющего пара, 1 - водяная камера, 2 - трубная доска, 3 - корпус, 4 - трубы, 5 - перегородки трубной системы, Д - подвод конденсата других ПВД, Г - отвод конденсата пара.

Тепловой расчет подогревателя питательной воды низкого давления

(1 приближение)

Условие:

Питательная вода при давлении  и с расходом  и скоростью  подаётся в подогреватель низкого давления (ПНД) с температурой  и, совершив по латунным трубам (латунь Л68, , диаметр 16x1 мм)  ходов, выходит из аппарата с температурой .Греющей средой является перегретый пар с давлением  и температурой , который проходит в межтрубном пространстве и конденсируется на наружной поверхности труб.

Задание

Определить площадь поверхности теплообмена подогревателя, количество и длину труб, диаметр корпуса аппарата. Теплопотери с наружной поверхности подогревателя принять равными 1% теплоты, отдаваемой паром.

Дополнительное задание:

Выполнить уточненный расчет с учетом перегрева пара. Определить площади зон охлаждения и конденсации пара.

Исходные данные:

Расчет:

I) Расчет выполняем по методу последовательных приближений

. Тепловой поток, воспринимаемый водой:

, где

- средняя массовая изобарная теплоёмкость в данном интервале изменения температуры.

в табл. 1, прил. 2 - «Физические свойства воды на линии насыщения».

. Тепловой поток, отдаваемый паром при конденсации найдём из уравнения теплового баланса:

.

Так как в аппарат поступает перегретый пар, а из аппарата выходит конденсат при температуре насыщения , то тепловой поток, отдаваемый паром при конденсации, может быть определен по уравнению:

, где

 - значение энтальпии перегретого пара при

 - значение энтальпии конденсата при

. Определим расход пара:

,

. Средний температурный напор:

,

где - температура насыщения (находится по давлению пара  в табл. 2, прил. 2 - «Физические свойства водяного пара на линии насыщения»).

. Количество труб в одном ходе воды определяем из уравнения неразрывности потока:

,

где  - плотность воды при средней температуре  по табл. 1, прил. 2.

Для одного хода :

.

Для четырех ходов :

.

. Принимаем коэффициент теплопередачи

Площадь поверхности теплообмена:

.

. Длина труб:

.

Графо-аналитический метод расчета

(2 приближение)

Применение этого метода обусловлено тем, что температура наружной поверхности  неизвестна, что затрудняет определение плотности теплового потока.

. Плотность теплового потока можно определить по формуле:

,

Характеристики конденсата , , ,  найдём по табл. 1, прил. 2 физических свойств воды при температуре насыщения:

(В данной курсовой работе , ,  взяты при средней температуре воды )

 - плотность конденсата

- теплопроводность

- кинематическая вязкость

Характеристики пара ,  найдём по табл. 2, прил. 2 физических свойств водяного пара на линии насыщения

 - плотность водяного пара

 теплота парообразования при ,

. Принимаем . Находим константы , ,  и определяем значения ,,:

. Определим коэффициент теплоотдачи:

Находим число Рейнольдса:

 устойчивый турбулентный режим

Т. к. , то для расчётов используем уравнение теплоотдачи Михеева И. М. Берём поправку Михеева И. М. равной единице, так как температуры воды и стенки близки:

Подставим найденные значения в уравнение коэффициента теплоотдачи:

.

.

. Задаемся плотностью потока с шагом 10 и получаем ряд значений частных температурных напоров ,, и суммарный температурный напор в соответствии с уравнением . Полученные данные заносим в таблицу, после чего строим график зависимости . Проектируем на кривую зависимости  и получаем искомое значение плотности теплового потока.

Таблица 1

Зависимость температурных напоров от плотности теплового потока:

Рис. 2 Зависимость температурных напоров от плотности теплового потока

При среднем температурном напоре ,

. Определим значения частных температурных напоров:

;

;

. Найдём суммарный температурный напор:

. Определим температуру поверхностей труб:

;

. Рассчитываем коэффициент теплоотдачи:

. Определяем коэффициент теплопередачи:

10. Площадь поверхности теплообмена:

. Длина труб:

приближение

При значительной разности температур () и высоте труб происходит турбулизация стекания пленки. Переход от ламинарного к турбулентному режиму стекания пленки определяют по величине приведенной длины Z:

Характеристики конденсата , ,  найдём по табл. 1, прил. 2 физических свойств воды при средней температуре конденсата:

- теплопроводность,

- кинематическая вязкость,

- динамическая вязкость

Теплоту парообразования  найдём по табл. 2, прил. 2 физических свойств водяного пара на линии насыщения при

. Расчёт приведенной длины Z:

подогреватель регенеративный турбина конденсатор

. При Z>2300 на высоте от верхней кромки стекающей пленки происходит переход от ламинарному к турбулентному течения пленки. При комбинированном течении пленки конденсата средней по длине трубы , коэффициент теплоотдачи определяется по формуле:

,

 и - значения числа Прандтля для конденсата при температурах  и

, определены по табл. 1 прил. 2.

. В поверхностных пароводяных теплообменных аппаратах ТЭС водяной пар подается в межтрубное пространство. Интенсивность теплоотдачи при конденсации на наружной поверхности труб при этом ниже, чем интенсивность теплоотдачи от внутренней поверхности труб к нагреваемой воде (α1<α2). Поэтому тепловой поток принято относить к наружной поверхности труб и коэффициент теплопередачи определяется по формуле:

. Площадь поверхности теплообмена:

.

. Длина труб:

. Найдем расхождение результатов второго и третьего приближений по длине труб:

,

Погрешность составила больше 5 %, следовательно, расчет продолжаем в следующих приближениях.

приближение

1. Расчёт приведенной длины Z:

Характеристики конденсата , ,  найдём по табл. 1, прил. 2 физических свойств воды при средней температуре конденсата:

 - теплопроводность

 - кинематическая вязкость,

 - динамическая вязкость

 при

. Расчёт приведенной длины Z:

Заменим разность  на отношение :

2. При Z>2300 коэффициент теплоотдачи определяется по формуле:

 и - значения числа Прандтля для конденсата при температурах  и

, определены по табл. 1 прил. 2.

3. В поверхностных пароводяных теплообменных аппаратах ТЭС водяной пар подается в межтрубное пространство. Интенсивность теплоотдачи при конденсации на наружной поверхности труб при этом ниже, чем интенсивность теплоотдачи от внутренней поверхности труб к нагреваемой воде (α1<α2). Поэтому тепловой поток принято относить к наружной поверхности труб и коэффициент теплопередачи определяется по формуле:

. Площадь поверхности теплообмена:

.

. Длина труб:

.Найдем расхождение результатов третьего и четвертого приближений по длине труб:

,

погрешность составила меньше 5 %, следовательно, расчет можно считать законченным.

Конструктивный расчет

Внутренний диаметр кожуха многоходового теплообменника может быть определён по формуле:

,

где  - площадь поперечного сечения пучка; может быть определена как сумма площадей поперечных сечений труб и межтрубного пространства по формуле:

,

где  - межцентровое расстояние между трубами, которое при развальцовке принимают , φ - коэффициент, учитывающий площади криволинейных треугольников между тремя смежными кругами, можно принять равным 1,017

Следовательно,

Данные теплового расчета ПНД:

,

,

,

,

,

,

,

,

,

Дополнительное задание

Уточненный расчет с учетом перегрева пара

. Рассчитаем количество труб в одном ряду пучка труб:

округлим до целого 87.

. Площадь узкого сечения между трубами одного ряда:

. Определим среднюю температуру перегретого пара:

. Находим параметры перегретого пара при , :

 - удельный объем;

 - теплопроводность;

 - кинематическая вязкость;

 - динамическая вязкость;

 число Прандтля;

 плотность;

 изобарная теплоемкость.

. Скорость перегретого пара в узком сечении:

. Режим течения находим с помощью числа Рейнольдса:

 смешанный режим

. Для определения средней теплоотдачи для труб, расположенных в глубинном ряду шахматного пучка используем уравнение (см. Авчухов В. В., Б. Я. Паюсте «Задачник по процессам тепломассобмена», гл. 6, стр. 49):

 - межцентровое, поперечное расстояние между трубами;

 - межцентровое, продольное расстояние между трубами.

<2

, где

для газов (перегретый пар) не учитывается, следовательно

Тогда, коэффициент теплоотдачи перегретого пара будет равен:

. Т. к. тепловой поток принято относить к наружной поверхности труб, то коэффициент теплопередачи определяется по формуле:

. Тепловой поток, отдаваемый перегретым паром в зоне ОП:

, где

 - значение энтальпии перегретого пара при

 - теплота парообразования при

 - расход пара.

Температура воды на входе в ОП:

.

Среднелогарифмический температурный напор в зоне ОП:

.

. Площадь поверхности теплообмена в зоне ОП:

. Длина труб в зоне ОП:

. Среднелогарифмический температурный напор в зоне КП:

.

. Определим площадь поверхности теплообмена в зоне КП:

, где

 - тепловой поток при конденсации пара;

 - коэффициент теплопередачи и средний температурный напор при конденсации пара.

. Длина труб в зоне КП:

. Площадь поверхности теплообмена ПНД:

. Полная длина труб в ПНД:

Данные теплового расчета зон ОП и КП ПНД:

Зона         ,

,

,

,

,

,

,

Вывод

В данной курсовой работе, мною был произведен как основной, так и тепловой уточненный расчет с учетом перегрева пара, при котором были определены площади поверхности теплообмена зон ОП и КП.

Существенное различие между ними объясняется тем, что . В случае ОП, при уменьшении коэффициента теплопередачи (за счет уменьшения коэффициента теплоотдачи) и увеличении среднелогарифмического напора, а также малом значении теплового потока воспринимаемого водой, площадь поверхности теплообмена в зоне ОП больше, чем в зоне КП. Так, зона ОП по ГОСТу для ПНД, должна составлять не более 10-15% от полной площади поверхности теплообмена. В нашем случае при заданных параметрах перегретого пара  по отношению к полной площади составит . То есть практически большая половина всей поверхности теплообмена аппарата состоит из . На основе полученных данных, можем сказать, что при высоких температурах греющей среды (перегретый пар, на входе в аппарат ), теплообменные аппараты работают неэффективно, т. к. площадь  велика. Следовательно, при проектировании подобного оборудования, следует избегать слишком большой площади поверхности теплообмена в зоне ОП.

Список использованной литературы

1.      Домрачев Б.П. Тепловой расчёт пароводяных теплообменных аппаратов ТЭС. Методические указания по выполнению курсовой работы. - Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2007. - 29 с.

2.      Домрачев Б.П., Корнеев В.В. Тепловой конструктивный расчёт подогревателя питательной воды высокого давления. Методические указания по выполнению курсовой работы. - Иркутск; Издательство ИрГТУ, 1997. - 32с.

.        Назмеев Ю.Г., Лавыгин В.М. Теплообменные аппараты тепловых электрических станций. - М.: Энергоатомиздат, 1998г. - 285 с.

.        Авчухов В.В., Паюсте Б.Я. Задачник по процессам тепломассообмена. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - 144с.

.        Краснощёков Е.А., Сукомел А.С. Задачник по теплопередаче - М.: Энергия, 1980. - 288с.

.        Исаченко В.П. и др. Теплопередача - М.: Энергоиздат, 1981. - 416с.

.        Александров А.А., Григорьев Б.А. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара: Справочник. - М.: Издательство МЭИ. 1999. - 168с.