Водько В.В.(29_12)

Завдання

Розрахувати геометричні розміри тепломасообмінного апарату, втрати тепла елементів теплової мережі, яка складається з котла, теплотраси і теплообмінного апарату (ТА), а саме визначити:

1. Розміри котла (орієнтовно), втрати тепла з його поверхні, товщину ізоляції.

2. Теплові втрати з теплотраси.

3. Загальну площу теплообміну, необхідну довжину труб ТА.

Вихідні дані для розрахунку

Загальна теплова потужність системи Q = 18 МВт.

Котел

Температура факелу – Т_ф = 1000 °С;

Температура в котельні – Т_кот = 10 °С;

Об’ємна частка в факелі – = 6,5 %; = 10 %;

Тиск у котлі (димових газів) – P_k = 0,105 МПа

Температура поверхні котла – Т_пк = 40 °С;

Теплотраса

Прокладка 2 – гарячий та холодний трубопроводи в підземному непрохідному каналі;

Довжина теплотраси – L = 8900 м;

Глибина прокладки теплотраси – H = 0,5 м;

Розміри непрохідного каналу для двох труб – 0,6∙1,2 м∙м

Товщина ізоляції у підземному виконанні – δ_ізп = 0,05 м.

Теплопровідність ізоляції – λ_іТР = 0,07 + 0,0005∙(1 + 0,0015∙Т),

Температура ґрунту – Т_гр = 13 °С;

Температура повітря – Т_пов = 9 °С;

Швидкість вітру W = 0 м/с;

Кут набігання вітру на теплотрасу – φ = 0 °.

Теплообмінний апарат

Температура гріючої води:

• на вході – T₁₁ = 167 °С

• на виході – T₁₂ = 127 °С

Температура холодного теплоносія:

• на вході – T₂₁ = 57 °С

• на виході – T₂₂ = 103 °С

Рух теплоносіїв у ТА ruh = 2 – протитечія

Холодний теплоносій 2 – моноізопропілдіфеніл.

Вступ

Теорія теплообміну вивчає самочинні незворотні процеси перенесення тепла у просторі, які лежать в основі багатьох явищ, що відбуваються в природі та техніці. Зокрема, ці процеси є невід’ємними під час роботи різного теплотехнічного устаткування, а у пристроях, які називаються теплообмінними апаратами, процеси теплообміну є основними.

Разом з термодинамікою теорія теплообміну створює єдине вчення про теплоту і є теплотехнічною основою теплотехніки. Практика дослідження теплових процесів показує, що для встановлення їх основних закономірностей треба знати способи передачі тепла між тілами і умови, при яких ці процеси відбуваються.

1. Розрахунок теплообмінного апарату.

Теплообмінним апаратом називається пристрій, призначений для передачі тепла від одного теплоносія до іншого. Схема подана на рис. 1. За принципом дії теплообмінні апарати (ТА) можна поділити на рекуперативні, регенеративні і змішувані.

Рис. 1. Схема теплообмінного апарату.

У цій частині головним завданням є знаходження необхідної кількості і довжини труб ТА, а також загальної площі теплообміну.

Середня температура теплообміну складає:

Знайдемо площу поперечного перерізу трубки для теплоносія. Для цього необхідно знайти витрати гріючої води:

– де С_р1 – питома теплоємність води при Т₁

Усі невідомі параметри води визначимо згідно таблиці теплофізичних властивостей теплоносіїв при визначеній температурі води:

T, °С	Ср1, кДж/кг∙°С	ρ1, кг/м3
140	4,287	926,1
150	4,313	917

Звідси при T₁ = 147 °С:

С_р1 =

ρ₁ =

Тоді витрати гріючої води:

Вибираємо швидкість руху гріючого теплоносія в межах від 1 до 3 м/с

Задаємо швидкість гріючої води W₁₀ = 2 м/с

Знаходимо площу поперечного перерізу гріючої води для усіх трубок:

Вибираємо внутрішній діаметр трубок в межах від 12 до 37 мм

Приймемо внутрішній діаметр трубок d_вн = 0,02 м.

Тоді площа поперечного перерізу однієї трубки:

Тоді теоретична кількість трубок у теплообмінному апараті:

Знайдемо дійсну кількість трубок D΄/S

D΄ – відстань між осями крайніх трубок

S – крок між трубками, вибираємо в межах (1,3–1,5) d_зовн

d_зовн – зовнішній діаметр трубки: d_зовн = d_вн + 2δ

• де δ – товщина трубки, приймаємо в межах від 0,5 до 2,5 мм. Приймемо δ = 2,5 мм = 0,0025 м

Тоді d_зовн = d_вн + 2δ = 0,02 + 2∙0,0025 = 0,025 м

Звідси S = 1,4 d_зовн = 1,4∙0,025 = 0,035 м

Згідно таблиці значень відносного діаметра трубної решітки D΄/S в залежності від числа трубок при ромбічному і концентричному розміщенні обираємо найближче до одержаного значення N = 223 трубок розміщених по концентричних колах, а D΄/S = 16.

Відстань між осями крайніх трубок:

D΄ = 16∙S = 24∙0,035 = 0,56 м

Знайдемо діаметр кожуха:

D = D΄ + d_зовн + 2k

де k – кільцевий зазор між крайніми трубками і кожухом, який приймається з конструктивних міркувань 6 мм і більше.

Приймемо k = 6 мм = 0,006 м. Тоді

D = 0,56 + 0,025 + 2∙0,006 = 0,597 м

Уточнюємо швидкість гріючого теплоносія для вибраної кількості трубок

Площа поперечного перерізу кожуха без трубок:

Для холодного теплоносія:

швидкість руху:

; – питома теплоємність холодного теплоносія, залежить від середньої температури .

Усі невідомі параметри води визначимо згідно таблиці теплофізичних властивостей теплоносіїв при визначеній температурі води:

T, °С	Ср2, кДж/кг∙°С	ρ2, кг/м3
20	1,72	969
100	2,02	932

Звідси при T_p2 = 80 °С:

С_р2 =

ρ₂ =

Отже:

Тоді:

Знайдемо коефіцієнт тепловіддачі для гріючого теплоносія. Для початку визначимо, за допомогою числа Рейнольдса Re, який це рух:

ν₁ – кінематичний коефіцієнт в’язкості, залежить від середньої температури T_p1.

Усі невідомі параметри води визначимо згідно таблиці теплофізичних властивостей теплоносіїв при визначеній температурі води:

T, °С		Pr
140	0,217	1,26	0,685
150	0,203	1,17	0,684

Отже:

ν₁ =

Тоді:

Оскільки Re > 2300, маємо турбулентний рух рідини. Критеріальне рівняння руху матиме вигляд:

, поправка E_l = 1.

Задаємо середню температуру стінки:

T_ст1 = T_p1 – 2 = 147 – 2 = 145 °С.

Pr_ст (145°) =

Pr_р (147°) =

Тоді критерій Нульсета:

З іншого боку: , де

– коефіцієнт тепловіддачі:

– коефіцієнт тепловіддачі води, залежить від середньої температури:

Тоді:

Для холодного теплоносія:

ν₂ – кінематична в’язкість моноізопропілдіфенілу, залежить від середньої температури.

Усі невідомі параметри води визначимо згідно таблиці теплофізичних властивостей теплоносіїв при визначеній температурі води:

T, °С		Pr
20	14,8	192	0,127
100	1,715	27	0,116

Еквівалентний діаметр трубки: d_екв =

де F – площа вільного поперечного перерізу:

P – узагальнений периметр:

Тоді

Критерій Рейнольда буде мати наступне значення:

Оскільки > 2300, то рух холодного теплоносія турбулентний. Критеріальне рівняння руху:

Задаємо середню температуру стінки:

T_ст2 = Т_р2 + 3 = 80 + 3 = 83 °С

Pr_ст (83°) =

Pr_р (80°) =

З іншого боку:

Тоді:

Уточнюємо температуру стінки:

Коефіцієнт теплопровідності стінки λ_ст приймаємо в межах 50-70 . Вибираємо: λ_ст = 55

Тоді сумарний термічний опір:

Підставимо і одержимо:

Оскільки, похибка для обох теплоносіїв перевищує 5, то розрахунок проводимо заново. Приймаємо: ;

Для гарячого теплоносія:

Pr_ст1 (139°) =

Для холодного теплоносія:

Pr_ст (135°) =

Уточнюємо температуру стінки:

Отже: ;

Знаходимо загальну довжину трубок:

Для протитечійного руху:

Рис. 2. Залежність зміни температури.

Тоді загальна довжина трубок:

Довжина однієї трубки:

Теплотраса

Рис. 3. Розташування труб. Рис. 4. Переріз труби.

Дві труби знаходяться під землею у непрохідному каналі.

t, oC	ρ, кг/м3	Сp, кДж/кг∙оС	λ, Вт/м∙оС	ν∙106, м2/с	Pr
167	900,33	4,3698	0,6802	0,184	1,065
127	937,29	4,2612	0,6866	0,2387	1,393
9	1,2516	1,005	0,02503	13,896	0,7052

Розрахуємо діаметр ізоляції. Для цього приймаємо швидкість руху теплоносіїв W = 2 м/c та з розрахунку ТА G₁=104,5248 м/с.

З іншого боку: ,

де f_тр – площа поперечного перерізу труби;

W – швидкість руху теплоносія;

ρ – густина теплоносія, залежить від температури теплоносія.

Звідси ;

Оскільки: звідси визначаємо внутрішній діаметр труби:

;

Товщина стінки труби δ_ст = 10 мм = 0,01 м.

Зовнішній діаметр труби: d = d + 2δ = 0,2718 + 2∙0,01 = 0,2918 м

d = d + 2δ = 0,2666 + 2∙0,01 = 0,2866 м

Розраховуємо віддалі між центрами труб:

S = 1,5∙ d =1,5∙0,2918 = 0,4733 м

Діаметр під ізоляцією визначаємо так:

– товщина ізоляції,

Розрахуємо коефіцієнти:

м; м.

Задаємось температурою поверхонь ізоляції:

^оС; ^оС;

Розрахуємо коефіцієнти теплопровідності ізоляції, за умови: ;

, де

^оС; ^оС.

Теплопровідність ізоляції труб:

Оскільки термічний опір тепловіддачі і теплопровідності стінки R₁ та R₂ незначні, то їх значеннями можна знехтувати.

Термічний опір теплопровідності ізоляції трубопроводу:

Термічний опір для повітряного прошарку:

, де ,

- температура повітря в каналі, , ^оС.

^оС; ^оС;

звідси ,

Розраховуємо термічний опір ґрунту, приймаємо λ_гр = 0,7 Вт/м∙^оС:

;

=0,4145

=0,4244

Розрахуємо термічний опір труб з урахуванням їх взаємодії між собою та з урахуванням тепловіддачі в навколишнє середовище:

Уточнюємо і (Т₁ і Т₂)

Термічний опір R = R₃ + R₄ + R_гр

Тоді

,

Прирівнюємо обидві частини рівнянь:

, звідси ;

аналогічно .

Розраховуємо термічні опори:

Підставляємо значення:

;

<5

>5

Оскільки, знайдені значення температур поверхні ізоляції перевищують прийняті більш, ніж на 5, тільки для холодного трубопроводу, то розрахунок проводимо заново тільки для нього, прийнявши:

Для холодного теплоносія:

Розрахуємо коефіцієнти теплопровідності ізоляції, за умови:;

, де

^оС.

Теплопровідність ізоляції труб:

Термічний опір теплопровідності ізоляції трубопроводу:

Термічний опір для повітряного прошарку:

, де ,

- температура повітря в каналі, , ^оС.

^оС;

звідси

Розраховуємо термічний опір ґрунту, приймаємо λ_гр = 0,7 Вт/м∙^оС:

=0,4244