Выбор и расчет кожухотрубных теплообменников

 

Кожухотрубные теплообменники представляют собой аппараты, выполненные из пучков труб, собранных при помощи трубных решеток, и ограниченные кожухами и крышками со штуцерами. Трубное и межтрубное пространства в аппарате разобщены, а каждое из этих пространств может быть разделено при помощи перегородок на несколько ходов. Перегородки устанавливаются с целью увеличения скорости, следовательно, и интенсивности теплообмена теплоносителей.

Горизонтальные секционные скоростные водоподогреватели по ГОСТ 27590-88 с трубной системой из прямых гладких или профилированных труб отличаются тем, что для устранения прогиба трубок устанавливаются двухсекторные опорные перегородки, представляющие собой часть трубной решетки. Общий вид горизонтального секционного кожухотрубного водоподогревателя представлен на рисунке 2.11.

Такая конструкция опорных перегородок облегчает установку трубок и их замену в условиях эксплуатации, так как отверстия опорных перегородок расположены соосно с отверстиями трубных решеток.

Водоподогреватели состоят из секций, которые соединяются между собой калачами по трубному пространству и патрубками - по межтрубному. Патрубки могут быть разъемными на фланцах или неразъемными сварными. В зависимости от конструкции водоподогреватели для систем горячего водоснабжения имеют следующие условные обозначения: для разъемной конструкции с гладкими трубками – РГ, с профилированными – РП; для сварной конструкции – соответственно СГ, СП.

 

Рисунок 2.11. Общий вид горизонтального секционного

кожухотрубного теплообменника

На данной по заданию схеме находятся три теплообменных аппарата (см.рис.2.1):

– подогреватель сырой воды (поз. 4);

– подогреватель химически очищенной воды (поз. 9);

– охладитель деаэрированной воды (поз. 8).

Выполним тепловой поверочный расчет кожухотрубного теплообменного аппарата, подключенного по схеме противотока (подогреватель исходной воды).

На основании расчета тепловой схемы котельной выпишем исходные данные для расчета теплообменного аппарата:

– теплопроизводительность Q_с.в=2, 326 МВт;

– начальная температура греющей воды ;

– конечная температура греющей воды ;

– начальная температура нагреваемой воды t_с.в = 5 ^оС;

– конечная температура нагреваемой воды ;

– максимальный расход греющей воды т/ч;

– максимальный расход нагреваемой воды т/ч.

Для выбора необходимого типоразмера водоподогревателя предварительно задаемся оптимальной скоростью нагреваемой воды в трубках, равной υ _тр=1, 0-2, 5 м/с, примем 2, 0 м/с.

1. Определяем необходимое сечение трубок водоподогревателя, м², исходя из двухпоточной компоновки каждой ступени:

где – плотность нагреваемой воды при средней температуре

Следовательно ;

где – тепловые потери из-за несовершенства теплоизоляции для водоподогревателей по ГОСТ 27590-88. Примем =0, 98.

– расход воды в трубном пространстве, кг/с:

.

 

2. В соответствии с полученной величиной f_тр выбираем необходимый типоразмер водоподогревателя [13; прил.4]. Характеристика выбранного водоподогревателя представлена в таблице 2.7.

 

 

Таблица 2.7. Технические характеристики водоподогревателя по ГОСТ 27590-88

Величина	Обозначение	Ед. изм.	Значение
Наружный диаметр корпуса секции	Dн	мм
Число трубок в секции	n	шт
Площадь сечений межтрубного пространства	fмтр	м2	0, 0101
Площадь сечения трубок	fтр	м2	0, 00681
Эквивалентный диаметр межтрубного пространства	dэкв	м	0, 0113
Коэффициент теплопроводности трубок			105, 0
Поверхность нагрева одной секции (длина секции – 2м)	fсек	м2	3, 51
Диаметр трубки		мм

3. Для выбранного типоразмера водоподогревателя определяем фактические скорости воды в трубках и межтрубном пространстве каждого водоподогревателя при двухпоточной компоновке, м/с

,

где – плотность греющей воды при средней температуре :

Следовательно ;

где - расход воды в межтрубном пространстве, кг/с,

 

4. Коэффициент теплоотдачи от греющей воды к стенке трубки, :

;

 

Эквивалентный диаметр межтрубного пространства, d_экв принимается по таблице 2.7.

5. Коэффициент теплоотдачи от стенки трубы к нагреваемой воде, ,

;

6. Коэффициент теплопередачи водоподогревателя,

,

где – коэффициент, учитывающий загрязнение поверхности труб в зависимости от химических свойств, =0, 8÷ 0, 95. Принимаем = 0, 9;

– коэффициент эффективности теплооб­мена для гладкотрубных водоподогревателей с опорами в виде полок = 0, 95, для гладкотрубных с блоком опорных перегородок = 1, 2, для профилированных и с блоком опорных перегородок = 1, 65.

λ _ст – коэффициент теплопроводности для латуни (справочные данные), λ _ст=105 Вт/мК.

7. Необходимую поверхность нагрева водоподогревателя, м²,

 

 

где – среднелогарифмический температурный напор, º С.

 

Рисунок 2.12. График изменения температуры теплоносителя

Определяем и , :

;

.

 

Подставив числовые значения, определяем:

 

Тогда поверхность нагрева будет равна:

 

 

8. Число секций водоподогревателя в одном потоке N, шт., исходя из двухпоточной компо­новки определяем по формуле:

 

 

Площадь одной секции f_сек принимаем из таблицы 2.7.

 

 

Если величина N имеет дробную часть, составляющую бо­лее 0, 2, число секций следует округлять в боль­шую сторону. Принимаем число секций N_с=2, 0 шт.

Действительная площадь теплообмена будет равна:

 

 

9. Потери давления в трубках водонагревателя, кПа,

 

где ψ – коэффициент, учитывающий накипеобразование, принимается по опытным данным, при отсутствии данных ψ =2÷ 3, примем ψ =2.

k₁ – коэффициент, учитывающий длину секции, k₁=5 при ℓ _c=2 м, k₁=7, 5 при ℓ _c=4 м;

 

10. Для греющей воды в межтрубном пространстве, кПа,

 

 

где В – коэффициент по таблице 2.8:

 

Таблица 2.8. Коэффициент В для водонагревателей по

ГОСТ 27590-88

Наружный диаметр D, мм	Коэффициент В при длине секции
2 м	4 м

 

 

Для сравнения выполним тепловой поверочный расчет пластинчатого теплообменного аппарата, подключенного по схеме противотока (подогреватель исходной воды).

Найдем соотношение числа ходов для греющей X₁ и нагреваемой X₂ воды:

,

где G_гр=13, 89 кг/с; G_нагр=27, 5 кг/с; = =14, 9 ^оС; = =90 ^оС по выполненному ранее расчету.

Для пластинчатого теплообменника в большинстве случаев принимается Δ P_гр=40 кПа и Δ P_нагр=100 кПа [16]. Подставив числовые данные, получаем:

Полученное соотношение ходов не превышает 2, значит для повышения скорости воды и, следовательно, для эффективного теплообмена целесообразна симметричная компоновка (см.рис. 2.13.)

Рис. 2.13. Симметричная компоновка пластинчатого

водоподогревателя

 

При расчете пластинчатого водоподогревателя оптимальная скорость воды в каналах принимается равной ω _опт=0, 4 м/с.

Теперь по оптимальной скорости находим требуемое количество каналов по нагреваемой воде m_нагр:

где f_к - живое сечение одного межпластинчатого канала. Для выбранного теплообменника f_к =0, 00245 м²;

ρ _нагр - плотность нагреваемой воды при , кг/м³:

Компоновка водоподогревателя симметричная, т.е. m_гр= m_нагр.

Общее живое сечение каналов в пакете по ходу греющей и нагреваемой воды:

 

 

f_гр= f_нагр= m_нагр∙ f_гр=0, 00245∙ 29=0, 07105 м²

 

Находим фактические скорости греющей и нагреваемой воды, м/с:

Коэффициент теплоотдачи α ₁ от греющей воды к стенке пластины определяется по формуле:

 

 

где А - коэффициент, зависящий от типа пластин, для типа выбранных пластин. Принимаем А=0, 492.

 

Коэффициент тепловосприятия α ₂ от стенки пластины к нагреваемой воде принимается по формуле:

 

 

Коэффициент теплопередачи k определяется по формуле:

где β - коэффициент, учитывающий уменьшение коэффициента теплопередачи из-за термического сопротивления накипи и загрязнений на пластине, в зависимости от качества воды принимается равным 0, 7-0, 85. Толщина пластины и коэффициент теплопроводности пластины для пластинчатых теплообменников равны соответственно;

λ _ст – коэффициент теплопроводности для нержавеющей стали (справочные данные), λ _ст=19 Вт/мК.

 

 

Теперь определим необходимую поверхность нагрева F_тр по формуле:

 

где Δ t - среднелогарифмический температурный напор, определяемый по формуле:

 

где Δ t_б и Δ t_м - находятся согласно графику изменения температур теплоносителей.

Рис. 2.14. График изменения температур теплоносителей

 

Исходя из графика:

 

 

Подставив числовые значения, определяем:

 

Поверхность нагрева:

 

Количество ходов в теплообменнике X:

 

 

Действительная поверхность нагрева всего водоподогревателя определяется по формуле:

 

 

Потери давления ∆ P кПа в водоподогревателях следует определять по формулам:

- для нагреваемой воды:

 

 

- для греющей воды:

где ϕ - коэффициент, учитывающий накипеобразование, который для греющей сетевой воды равен единице, а для нагреваемой воды должен приниматься по опытным данным, при отсутствии таких данных можно принимать 3;

Б - коэффициент, зависящий от типа пластины. Для выбранного типа пластин Б =1, 5.

Выбор насосов

 

Для перекачки воды в теплоэнергетике применяются лопастные насосы (центробежные, осевые и реже вихревые) и объемные (поршневые).

На заданной схеме теплоснабжения располагаются четыре насоса: насос сырой воды, подпиточный насос, сетевой насос, рециркуляционный насос. Для выбора насосов должны быть известны такие параметры, как производительность насоса и его полный напор.

Выбор насосов производится по напору и подаче. Число насосов определяется с учетом их совместной работы на тепловую сеть.

Выбор насосов осуществляется следующим образом:

– определяется требуемый напор и подача;

– по данным Н (напор) и V (подача) (при расчетном режиме) из каталогов выбирают подходящий насос;

– уточняют возможность применения данного насоса и их число путем построения характеристик насоса и сети.

В приложении 5 даны характеристики импортных и отечественных насосов.

Сетевые насосы

 

Сетевые насосы устанавливаются для обеспечения циркуляции воды в тепловых сетях. Их выбирают по максимальному расходу сетевой воды G_св (для двухтрубных тепловых сетей в точке излома температурного графика).

Напор сетевых насосов следует определять для отопительного и неотопительного периодов и принимать равным сумме потерь напора в установках на источнике теплоты, в подающем и обратном трубопроводах от источника теплоты до наиболее удаленного потребителя и в системе потребителя (включая потери в тепловых пунктах и насосных) при суммарных расчетных расходах воды.

 

где Δ Н_ТПУ – потери напора в теплоприготовительной установке;

Δ Н_под – потери напора в подающей линии главной магистрали;

Δ Н_обр – потери напора в обратной линии главной магистрали;

Δ Н_аб – требующийся располагаемый напор на абонентском вводе или на групповой подстанции (ГТП).

В котельных с водогрейными или паровыми котлами и подогревателями сетевой воды должно быть установлено не менее двух сетевых насосов, один из которых является резервным; при пяти рабочих сетевых насосах в одной группе резервный насос допускается не устанавливать. Количество сетевых насосов и их единичная производительность определяются исходя из наиболее экономичной их работы в течение года.

В системах, имеющих летнюю нагрузку на горячее водоснабжение, выбор сетевых насосов производится с учетом летнего режима работы тепловых сетей (G_л; Н_л).

При выборе насоса для заданных условий работы необходимо совместить характеристики насоса и тепловых сетей, определить точку пересечения этих кривых.

При параллельной работе двух или более насосов необходимо построить суммарную характеристику насосов и характеристику сети, так как производительность каждого из насосов при их самостоятельной работе выше, чем при совместной и напоры при совместной и раздельной работе отличны.

 

Зимний период

По заданию схема теплоснабжения закрытая, двухтрубная с последовательным подключением теплообменников ГВС. Так как теплообменники на ГВС подключены по двухступенчатой последовательной схеме, то максимальный расход теплоносителя будет в точке излома температурного графика при температуре наружного воздуха 2, 39º С.

Определим расчетный расход сетевой воды в тепловой сети при температуре точки излома температурного графика в зимний период

;

 

Схема подключения потребителей теплоты зависимая через струйный насос (элеватор).

Минимально необходимый располагаемый напор на абонентском вводе:

 

 

 

где h_с.о – сопротивление системы отопления здания. При неизвестных данных принимается для 1-5 этажей h_с.о = 1 м.в.ст.; для 5-9 этажей h_с.о = 2 м.в.ст.; для 9-12 этажей h_с.о = 3 м.в.ст.;

U – коэффициент смешения, определяется по формуле:

 

 

Определим минимально необходимый располагаемый напор на абонентском вводе:

 

Гидравлический расчет тепловой сети заданием не предусмотрен. Примем Δ Н_под=Δ Н_обр=20 м в.ст. Потери напора в теплоприготовительной установке примем Δ Н_ТПУ= 14 м в.ст.

Определим напор сетевого насоса, работающего в отопительный период года:

 

 

Потеря напора в тепловых сетях подчиняется квадратичному закону, а характеристика тепловой сети представляет собой квадратичную параболу, описываемую уравнением:

 

 

где Δ Н- потери напора на заданную сеть при расчетном расходе теплоносителя, м;

S - сопротивление сети, выраженное через единицу напора (потеря напора при V=1), м∙ ч²/м⁶;

V - расчетный расход теплоносителя, м³/ч.

 

Определим сопротивление сети:

 

Величина сопротивления сети зависит от её геометрических размеров, абсолютной шероховатости внутренней поверхности трубопроводов, эквивалентной длины местных сопротивлений и плотности теплоносителя, поэтому потеря напора в сети при любом режиме, отличном от расчётного, может быть определена по расходу теплоносителя при данном режиме.

Зная значение характеристики сети и, задаваясь различным значением напора, определяем значение расхода и, таким образом, строим характеристику сети. Результаты расчёта напора при различных расходах теплоносителя представлены в таблице 2.9.

 

Таблица 2.9. Результаты расчёта напора при различных расходах теплоносителя

V, м3/ч
∆ Нс, м.в.ст.		8, 27	18, 61	33, 08	51, 69	63, 34	74, 43	101, 31

 

На рисунке представлено графическое изображение гидравлической характеристики сети.

 

 

 

Рисунок 2.15. Гидравлическая характеристика сети

На рисунке 2.13 представлены области характеристик насосов. По расходу воды в отопительный период м³/ч и напору сетевого насоса м в.ст. выбираем два насоса фирмы «Grundfos» NKG 300-150-500, с частотой вращения n_нас=1480 об/мин - горизонтальный консольный одноступенчатый с осевым подводом воды [11], один из которых является резервным.

Действительный напор, подача насоса определится, когда будут построены характеристики насоса и сети на одном графике.

На рисунке 2.14 представлена графическая характеристика насоса и сети. Точка пересечения характеристики насоса (кривая 2) и характеристики сети (кривая 1) определяет гидравлический режим системы. Рабочая точка должна лежать в области устойчивых режимов работы насоса. Желательно, чтобы рабочая точка лежала в области максимальных КПД насоса.

Если V_A и Н_А, рисунок 2.15 точка А, больше или равны расчетным значениям напора и расхода, выбранный насос подходит, в противном случае требуется выбрать новый насос или принять к установке большее число насосов, работающих в параллель на общую сеть.

 

Рисунок 2.16. Область работы центробежных консольных насосов

Без проведения регулирования производительность насоса V_нас =1175, 0 м³/ч (точка А) превышает требуемую.

 

 

Рисунок 2.17. Графики зависимости характеристик сети и насоса NKG 300-250-500

1-гидравлическая характеристика сети; 2-гидравлическая характеристика насоса, работающего в зимний период; А- рабочая точки в отопительный период года без частотного регулирования; З – рабочая точка в отопительный период года после частотного регулирования.

 

Для работы насоса по параметрам рабочей точки З необходимо изменить частоту вращения двигателя насоса. Требуемое число оборотов насоса n^T определяется по уравнению:

 

 

об/мин.

 

Таким образом, чтобы, выбранный насос NKG 300-150-500, работал на заданную сеть, осуществляя подачу в количестве =1149, 8 м³/ч, необходимо понизить частоту вращения двигателя насоса с номинальной (n_нас=1480 об/мин) до требуемой (n^T=1448 об/мин).

⇐ Предыдущая123456789Следующая ⇒

Поделиться:

Популярное:

1. I. ВЫБОР ТЕМЫ НАУЧНОГО ДОКЛАДА
2. III. Выбор крепежного приспособления и способа крепления
3. XIV. Реализация права абитуриентов на выбор места обучения
4. YВыбор средствy распространения yинформации.
5. Анализ аналогов и выбор прототипа
6. Анализ и выбор способов восстановления детали
7. Анализ способа выбора детьми направления занятий, по мнению педагогов-организаторов
8. Б. Оценка однородности выборки
9. Билет 15 Проблема выбора метода обучения
10. Ближайшим основанием кризиса юности является соотнесение идеального представления о профессии и реальной профессии, необходимость действенного подтверждением профессионального выбора.
11. В моей работе важное место занимает выбор методов и приёмов.
12. Вал выбора передачи в сборе.