Расчет трубчатого теплового аппарата

Курсовая работа

Расчет трубчатого теплового аппарата

Задание

котел утилизатор тепловой газотурбинный

Спроектировать котёл утилизатор, уходящий газов для параметров газотурбинной установки ГТУ - 8 РМ. Температура воды на входе в утилизатор , температура перегретого водяного пара на выходе , давление пара . Расход уходящих газов , температура газов , температура газов на выходе из утилизатора .

Введение

Теплообменным аппаратом называют устройство, в котором осуществляется процесс передачи теплоты от одного теплоносителя к другому. Необходимость передачи теплоты возникает во многих отраслях техники.

По принципу действия теплообменные аппараты могут быть разделены на рекуперативные, регенеративные и смесительные.

Рекуперативными называются такие аппараты, в которых тепло от горячего теплоносителя к холодному передается через разделяющую их стенку. Процесс теплообмена протекает непрерывно и имеет обычно стационарный характер. Рекуперативные теплообменники подразделяют в зависимости от направления движения теплоносителей. Если теплоносители движутся параллельно в одинаковом направлении, теплообменник называют прямоточным, при противоположном направлении движения - противоточным. В теплообменнике с перекрестным потоком теплоносители движутся во взаимно перпендикулярных направлениях, при этом возможен однократный и многократный перекрестный ток.

Конструктивно рекуперативные теплообменники могут выполняться с пластинчатыми и трубчатыми рабочими поверхностями. Рабочей поверхностью теплообменника называется стенка, которая омывается с обеих сторон теплоносителями. Примером таких аппаратов являются парогенераторы, подогреватели, конденсаторы и т.п.

Регенеративными называются такие аппараты, в которых одна и та же поверхность нагрева омывается то горячим, то холодным теплоносителем. При протекании горячей жидкости тепло воспринимается стенками аппарата и аккумулируется в них. При протекании холодной жидкости ранее аккумулированная теплота ею воспринимается. Примерами таких аппаратов являются регенераторы мартеновских и стеклоплавильных печей, воздухоподогреватели доменных печей и т.п.

В рекуперативных и регенеративных аппаратах процесс передачи теплоты неизбежно связан с поверхностью твердого тела. Поэтому такие аппараты называются также поверхностными.

В смесительных аппаратах процесс теплопередачи происходит путем непосредственного соприкосновения и смешения горячего и холодного теплоносителей. Примером таких аппаратов являются башенные охладители (градирни), скрубберы и другие.

Специальные названия теплообменных аппаратов обычно определяются их назначением, например парогенераторы, печи, водонагреватели, испарители, перегреватели, конденсаторы, сушильные аппараты и т.д. Однако, несмотря на большое разнообразие теплообменных аппаратов по виду, устройству, принципу действия и рабочим телам задачами решается одна и та же - передача теплоты от горячей жидкости к холодной. Поэтому и основные положения теплового расчета для них остаются общими.

По характеру движения теплоносителей относительно теплопередающей поверхности теплообменные аппараты делят на три типа: с естественной циркуляцией, с принудительной циркуляцией, с движением жидкости под действием сил гравитации. К теплообменным аппаратам с естественной циркуляцией относятся испарители, выпарные аппараты, водогрейные и паровые котлы, у которых теплоноситель движется благодаря разности плотностей жидкости и образующейся парожидкостной смеси. К теплообменным аппаратам с принудительной циркуляцией относятся рекуперативные теплообменники, выпарные аппараты, испарители, а к аппаратам с движением жидкости под действием сил гравитации - конденсаторы, оросительные теплообменники.

По роду теплового режима теплообменные аппараты могут быть со стационарными процессами теплообмена. Рекуперативные теплообменные аппараты в основном работают в установившемся стационарном режиме, а регенеративные - в нестационарном режиме.

По виду поверхности теплообмена рекуперативные теплообменные аппараты делят на кожухотрубные, пластинчатые, трубчатые.

1. Теоретическая часть

Трубчатые теплообменные аппараты характеризуются простой конструкцией, малыми габаритами, высоким уровнем теплопередающей мощности и адекватной ценой. Такой тип теплообменников получил широкое применение в области химического производства.

Конструкция трубчатого теплообменника состоит из резервуара, выполненного в форме цилиндра, в который встроена трубная секция. Трубная секция представляет собой блок из параллельно проложенных трубок, которые закреплены в трубных решетках или досках. Трубчатый теплообменник оснащен двумя камерами (полостями): трубной полостью и полостью корпуса. В трубной секции течет одно вещество, а в межтрубном пространстве корпуса - другое. Эффективность процесса теплообмена повышается посредством поворота направляющих щитков в корпусе, что способствует изменению направления течения среды.

В конструкциях, где доступ к трубкам снаружи затруднен, среда, находящаяся внутри корпуса, не должна способствовать образованию отложений. Трубки в таких аппаратах можно очистить только предварительно удалив боковые обечайки.

Конструкция теплообменного аппарата с U-образными трубками представляет собой одну трубную решетку, в которую вварены U-образные трубки. Округленная часть трубки свободно опирается на поворотные щитки в полости корпуса. К плюсам такого типа конструкции можно отнести возможность линейно расширять трубки, что обеспечивает возможность работ при большем перепаде температур. Для того, чтобы очистить трубки, необходимо вынуть из корпуса всю трубную секцию. Очищение возможно только путем химической очистки.

Трубчатые теплообменные аппараты могут применяться в качестве конденсаторов. В таких случаях, теплообменники располагают в вертикальном или наклонном положении. В полость корпуса поступает пар, где он и конденсируется. Конденсат накапливается в углублении, после чего подается наружу. Пары, которые не конденсируются, выводятся посредством вытяжного клапана. Охлаждающая среда течет по трубам.

Трубчатые теплообменные аппараты часто используются в испарителях, где устанавливаются в вертикальном или наклонном положении. Испаряющаяся среда течет вниз по открытым трубкам. Она закипает и в виде пузырьков пара разбрызгивается в камере испарителя. Греющий пар находится внутри полости корпуса. В соответствии с выбранным режимом, испарители могут быть: проточными аппаратами (жидкость протекает через испаритель только один раз); аппаратами естественной циркуляции (жидкость течет в замкнутом цикле по рециркуляционной трубке).

Трубчатые теплообменники часто используются в отопительных котлах.

2. Методика расчёта теплообменного аппарата

.1 Тепловой конструктивный расчет

Основополагающими соотношениями для теплового расчета любого теплообменного аппарата являются уравнения теплового баланса и теплопередачи. Основным моментом расчета является, как правило, определение значения среднего для всей поверхности теплообмена коэффициента теплопередачи k.

Уравнение теплового баланса для поверхностного аппарата в общем случае имеет вид

где Q - тепловая мощность аппарата, кВт;

G₁, G₂ - массовые расходы первичного и вторичного теплоносителей, кг/с;

С_p1, с_р2 - теплоемкости первичного и вторичного теплоносителей, кДж/(кг-К);

, - температуры первичного и вторичного теплоносителей на входе в аппарат, ⁰С;

, - температуры первичного и вторичного теплоносителей на выходе из аппарата, ⁰С.

Тогда выражение для нахождения температуры дымовых газов будет выглядеть так:

Используя уравнение теплового баланса, найдем температуру дымовых газов, для этого определим количество теплоты, передаваемого в единицу времени:

Далее необходимо рассчитать средний температурный напор:

Уравнение теплопередачи запишем следующим образом:

Площадь теплоотдачи:

Параметры воды и дымовых газов при средних температурах:

Площадь поперечного сечения:

Найдем число Рейнольдса для течения теплоносителя в трубочках:

Количество трубочек:

Далее находим число Нуссельта:

Коэффициент теплоотдачи внутри трубок:

Находим скорость дымовых газов обтекающих трубочки:

Где F - площадь площади входа и выхода теплоносителя;

Определим коэффициент теплоотдачи со стороны дымовых газов. Найдем число Нуссельта:

Коэффициент теплоотдачи:

Определим коэффициент теплопередачи по формуле для цилиндрической поверхности:

Рассчитаем площадь теплообмена по формуле:

Определим общую длину труб теплообменника как:

Где  - средний диаметр трубочек.

Расчётная часть

Схема трубчатого теплообменного аппарата

Для расчёта теплообменного аппарата, примем противоточную схему теплоносителей. В качестве поверхностного теплообмена будем использовать трубчатую матрицу.

Для начала необходимо составить уравнение теплового баланса, для трёх участков теплообменного аппарата.

Величина теплового потока для всего ТА:

.

Расход: ;

Теплоёмкость: .

.

Определим расход пара:

 .

Величина теплового потока на первом участке:

.

Температура дымовых газов в начале участка испарения воды:

.

Величина теплового потока на втором участке:

 .

Величина теплового потока на третьем участке:

.

Температура дымовых газов на выходе из участка испарения:

.

При средней температуре  на первом участке, вода имеет физические характеристики:

l₁ = 0,68589 Вт/(м×К),

r₁ = 941,42 кг/м³,

n₁ = 0,238×10^-6 м²/с,

Примем скоростью движения воды в трубочках w₂^I = 0.5 м/с, При заданных параметрах условию удовлетворяет значение внутреннего диаметра трубки . Найдём число Рейнольдса:

Так как Re > 10⁴, то режим движения потока является турбулентным.

Рассчитаем количество трубочек на первом участке:

.

Принимаем количество трубок  = 32, трубки размещаются в шахматном порядке:

Схема расположения трубок

Принимаем шаг между осями труб в ряду .

Рассчитаем длину трубки, на всём участке теплообмена.

Примем коэффициент теплопередачи .

Рассчитаем средний температурный напор:

.

Общая площадь теплообмена:

.

Общая длинна труб теплообменника:

.

При средней температуре  на третьем участке, перегретый пар имеет физические характеристики:

l₁ = 4,72*10^-2 Вт/(м×К);

r₁ = 12,56 кг/м³;

n₁ = 1,56×10^-6 м²/с.

Определим скорость на участке перегрева водяного пара. Для унификации конструкции теплообменника, примем такой же диаметр трубочек как и на участке подогрева воды (экономайзера), а так же их количество. Скорость движения в трубочках составит:

Принимаем количество трубок:  = 32

.

Число Рейнольдса:

.

Для нахождения коэффициента теплоотдачи от жидкости  используем:

.

Подставляем численные значении:

.

Найдём коэффициент теплоотдачи от перегретого пара  для третьего участка:

.

Найдём коэффициент теплоотдачи  при движении кипящей воды в трубах на втором участке, тогда:

.

Подставляем численные значения:

.

Для нахождения коэффициента теплоотдачи на втором участке, нужно посчитать коэффициент теплоотдачи кипения:

.

Рассчитаем тепловой поток q:

.

Подставим численные значения:

.

Задаёмся давлением Р = 3 МПа. Для правильности расчета значение берём в барах.

.

Подставляем численные значения и определяем коэффициент теплоотдачи на втором участке:

Теперь необходимо найти коэффициенты теплоотдачи со стороны дымовых газов. Для этого зададимся размерами проточной части.

Проточная часть. Вид спереди

Высота корпуса: Н = 0,4 м;

Высота трубки: H_труб = 0.35 м;

Ширина корпуса: b = 2.3d_нар *(N_тр1+1).

Ширина рассчитывается с учетом того, что 32 трубочки расположены в два ряда, в шахматном порядке, таким образом что расстояние между осями трубочек одного ряда составляет 2.3 d_нар..

Найдем площадь газа:

Подставим численные значения:

.

Для того что бы найти число Рейнольдса на третьем участке, определим скорость дымовых газов.

Определяем параметры дымовых газов на третьем участке, при средней температуре:

n_г3 = 80,6*10^-6 м²/с;

r_г3 = 0,444 кг/м³;

Pr_г3= 0,63;

l_г3 = 6,76*10^-2 Вт/(м×К).

Рассчитаем и примем скорость движения дымовых газов при обтекании трубочек:

.

Рассчитаем коэффициент теплоотдачи на третьем участке, при поперечном обтекании трубочек дымовыми газами:

.

Рассчитаем коэффициент теплоотдачи на втором участке, при поперечном обтекании трубочек дымовыми газам.

Определяем физические характеристики при средней температуре:

n_г2 = 64,67*10^-6 м²/с;

Pr_г2= 0,92;

l_г2 = 5,93*10^-2 Вт/(м×К).

Найдем число Рейнольдса:

.

Число Nu:

.

Коэффициент теплоотдачи:

.

Рассчитаем коэффициент теплоотдачи на первом участке, при поперечном обтекании трубочек дымовыми газам.

Определяем параметры при средней температуре:

n_г1 = 45,67*10^-6 м²/с;

Pr_г1= 0,93;

l_г1 = 4,83*10^-2 Вт/(м×К).

Найдем число Рейнольсда:

.

Число Nu:

.

.

Корпус котла утилизатора выполнен из нержавеющей стали, марки 12Х18Н9Т.

Определяем физические характеристики:

r_н.с = 7950 кг/м³;

l_н.с = 14,4+0,016t Вт/(м×К).

Коэффициент теплопередачи трех участков теплообменного аппарата.

Третий участок:

Температура дымовых газов

l^III_н.с = 14,4+0,016·525=22,8 Вт/(м×К)

 .

Второй участок:

Температура дымовых газов

l^II_н.с = 14,4+0,016·427=21,2 Вт/(м×К)

 .

Первый участок:

Температура дымовых газов

l^I_н.с = 14,4+0,016·299=19,1 Вт/(м×К)

 .

Рассчитаем средний температурный напор для трех участков.

Первый участок:

.

Второй участок:

.

Третий участок:

.

Определим длину трубочек на трех участках.

Первый участок:

.

Второй участок:

.

Третий участок:

.

Уточним коэффициент теплоотдачи на втором участке, с новым значением длинны L₂ = 40.8 м.

Тепловой поток:

.

Коэффициент теплоотдачи кипения:

.

Коэффициент теплоотдачи на втором участке:

.

Коэффициент теплопередачи на втором участке:

.

Найдем новую длину второго участка, при новых значениях:

.

При пересчёте, было выяснено, что длина второго участка увеличилась. В дальнейших расчётах принимаем L_II = 42.4 м.

Определим количество загибов трубочек на участках.

.

Первый участок:

.

Примем число загибов равным 57.

Второй участок:

.

Третий участок:

.

Примем число загибов равным 21.

2.2 Гидравлический расчет

Гидравлический расчет теплообменного аппарата включает в себя определение необходимой мощности, затрачиваемой на перемещение в нем теплоносителей:

где V - объемный расход теплоносителя, - перепад давления в потоке теплоносителя.

Гидравлическое сопротивление трения проявляется на участках безотрывного течения теплоносителя в каналах. Потери давления на преодоление сил трения во входном и выходном патрубках рассчитываются по формуле:

где x - коэффициент сопротивления трения, r и w - средняя плотность и средняя скорость рабочей среды в канале, l - длина канала.

Коэффициент сопротивления трения будет определяться по следующей формуле:

Потери давления на поворот потока определяются по формуле:

где  - коэффициент местного сопротивления при повороте.

Потери на трение по длине трубок:

Потери на обтекание трубного пучка:

Расчётная часть

Схема гидравлических потерь

Определим коэффициент сопротивления трения воды. Участок 1-2 равен участку 43-44.

.

Так как поток турбулентный (Re = 33613), коэффициент гидравлического трения определяется по формуле Блазиуса:

.

Параметры воды при температуре 124 ºС:

r₂ = 941,42 кг/м³;

w₂ = 0.5 м/с²;

.

Потери на трение потока, на участке 1-2, 43-44, рассчитываются как:

.

Рассмотрим участки 3-1..41-42. Они равны между собой. Определим коэффициент сопротивления трения воды. Участки 3-4…41-42 равны между собой.

.

Определим потери потока при повороте.

Участки 2-3, 4-5…40-41, 42-43 равны между собой.

.

Коэффициент трения:

.

Длина поворота:

.

Коэффициент поворота зависит от градуса поворота. Так как поворот составляется 180ºС, используем коэффициент поворота равный

Найдем потери потока на повороте:

.

Общие потери на первом участке:

.

Определим потери на обтекании трубного пучка (для дымовых газов).

Скорость дымовых газов w_г = 75 м/с².

Коэффициент сопротивления для пучков труб при поперечном обтекании (перпендикулярно оси труб):

Для третьего участка:

Число рядов в пучке в направлении движения m₃ = 22;

Число Re₃ = 16749;

r₃ = 0,988 кг/м^3;         

t_cp3 = 89.26 ºC;

.

Тогда:

.

Для второго участка:

Число рядов в пучке в направлении движения m₂ = 103;

Число Re₂ = 20897;

r₂ = 0,815 кг/м³;

t_cp2 = 166.49 ºC;

.

.

Для первого участка:

Число рядов в пучке в направлении движения m₁ = 58;

Число Re₁ = 29559;

r₁ = 1.1194 кг/м³;

t_cp1 = 29.25 ºC;

.

Тогда:

.

Для обеспечения рассчитанного перепада давления, будем использовать два вентилятора. Один на нагнетание, второй, на разряжение.

Характеристики насосов для прокачки теплоносителя выбираем из литературных источников.

Для прокачки воды выбираем насос СЭ-800-100 центробежный, горизонтальный, спирального типа, с рабочим колесом двухстороннего входа, одноступенчатый, с приводом от электродвигателя.

Мощность: N=320 кВт

2.3 Прочностной расчет

Цель расчета на прочность - определение способности конструкции теплообменного аппарата сопротивляться статическим и динамическим нагрузкам, которые возникают при эксплуатации аппарата и обусловлены как его конструкцией, так и режимом его работы [4]. Расчет на прочность элементов конструкции теплообменного аппарата может выполниться как конструкторский и как поверочный. При конструкторском расчете определяются основные размеры аппарата, удовлетворяющие условиям прочности.

Расчет на прочность может выполняться по предельным напряжениям или по предельным нагрузкам. Расчет по предельным нагрузкам применяется для аппаратов, выполненных из пластичных материалов, таких как малоуглеродистые стали, медь и ее сплавы и т.д. В этом случае за опасное значение принимается величина напряжения, вызывающего общую пластическую деформацию всего нагруженного узла. Расчет по предельным напряжениям производится для аппаратов, выполненных из хрупких материалов (например, закаленной стали), разрушение которых наступает без заметных пластических деформаций. В расчете по предельным напряжениям пределом несущей способности конструкции является достижение в любом сечении конструкции предела текучести.

Расчеты теплообменных аппаратов на прочность должны производиться в соответствии с требованиями нормативных документов. За расчетную температуру, по которой определяются физико-механические характеристики материалов и допускаемые напряжения в отдельных узлах аппарата, принимается наибольшее значение температуры протекающего в аппарате теплоносителя. Расчетное давление принимается равным наибольшему давлению теплоносителя с учетом давления срабатывания предохранительных клапанов на соответствующих подводящих трубопроводах. Для элементов, разделяющих пространства с разными давлениями, за расчетное принимается либо каждое давление по отдельности, либо то, которое требует наибольшей толщины стенки, либо разница давлений между средами.

Кроме определения уровня усилий и напряжений в элементах конструкции и удовлетворяющих условиям прочности размеров этих элементов к прочностным относятся также расчеты тонкостенных оболочек на устойчивость, расчет термических напряжений от различного теплового удлинения трубок поверхности теплообмена и кожуха аппарата, а также расчет трубок на вибрацию.

Расчет на прочность производится по номинальным допускаемым напряжениям. Под номинальным допускаемым напряжением  понимается напряжение, используемое в расчетах для определения минимальной допускаемой толщины стенки и максимального допускаемого давления, в зависимости от принятых расчетных условий работы аппарата и марки стали или сплава, из которого изготовлен аппарат или его узел.

Характеристиками прочности материала являются следующие величины:

•        временное сопротивление или предел прочности при комнатной  и расчетной  температурах;

физический предел текучести  при расчетной температуре;

предел длительной прочности  при расчетной температуре.

При выборе допускаемых напряжений величины пределов прочности и текучести принимаются равными минимальным значениям, установленным в соответствующих стандартах или технических условиях для металла данной марки.

Нормативное допускаемое напряжение  определяется из условий:

,,