Тепловой расчет подогревателя питательной воды низкого давления (ПНД)
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 (б1<�б2). Поэтому тепловой поток принято относить к наружной поверхности труб и коэффициент теплопередачи определяется по формуле. Читать ещё >
Тепловой расчет подогревателя питательной воды низкого давления (ПНД) (реферат, курсовая, диплом, контрольная)
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 °C. 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. 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 16×1 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:
Греющая среда — пар | Нагреваемая среда — питательная вода | |||||||
0,6 | 3,2 | 2,0 | ||||||
Расчет:
I) Расчет выполняем по методу последовательных приближений
1. 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».
2. 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
3. Определим расход пара:
4. Средний температурный напор:
где — температура насыщения (находится по давлению пара в табл. 2, прил. 2 — «Физические свойства водяного пара на линии насыщения»).
5. 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 :
.
6. Принимаем коэффициент теплопередачи
Площадь поверхности теплообмена:
.
7. Длина труб:
.
Графо-аналитический метод расчета
(2 приближение) Применение этого метода обусловлено тем, что температура наружной поверхности неизвестна, что затрудняет определение плотности теплового потока.
1. Плотность теплового потока можно определить по формуле:
где, , — константы.
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 ,
2. Принимаем. Находим константы, , и определяем значения :
3. 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:
.
.
4. 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:
4,9572 | 7,2749 | 9,7958 | 12,4915 | 15,3418 | 18,3315 | 21,4488 | 24,6838 | ||
0,3052 | 0,4070 | 0,5087 | 0,6104 | 0,7122 | 0,8139 | 0,9156 | 1,0174 | ||
2,2627 | 3,0169 | 3,7711 | 4,5254 | 5,2796 | 6,0338 | 6,7880 | 7,5423 | ||
7,5251 | 10,6988 | 14,0756 | 17,6273 | 21,3336 | 25,1792 | 29,1524 | 33,2435 | ||
Рис. 2 Зависимость температурных напоров от плотности теплового потока
При среднем температурном напоре ,
5. Определим значения частных температурных напоров:
;
;
6. Найдём суммарный температурный напор:
7. Определим температуру поверхностей труб:
;
8. Рассчитываем коэффициент теплоотдачи:
9. Определяем коэффициент теплопередачи:
10. Площадь поверхности теплообмена:
11. Длина труб:
3 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
1. Расчёт приведенной длины Z:
подогреватель регенеративный турбина конденсатор
2. 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.
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 (б1<�б2). Поэтому тепловой поток принято относить к наружной поверхности труб и коэффициент теплопередачи определяется по формуле:
4. Площадь поверхности теплообмена:
.
5. Длина труб:
6. Найдем расхождение результатов второго и третьего приближений по длине труб:
Погрешность составила больше 5%, следовательно, расчет продолжаем в следующих приближениях.
4 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
1. 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 (б1<�б2). Поэтому тепловой поток принято относить к наружной поверхности труб и коэффициент теплопередачи определяется по формуле:
4. Площадь поверхности теплообмена:
.
5. Длина труб:
6.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, ц — коэффициент, учитывающий площади криволинейных треугольников между тремя смежными кругами, можно принять равным 1,017
Следовательно,
Данные теплового расчета ПНД:
71,52 | 72,24 | 7113,7393 | 15 152,6934 | 4421,4613 | 16,8177 | 961,7816 | 2,539 | 2,3118 | ||
Дополнительное задание Уточненный расчет с учетом перегрева пара
1. Рассчитаем количество труб в одном ряду пучка труб:
округлим до целого 87.
2. Площадь узкого сечения между трубами одного ряда:
3. Определим среднюю температуру перегретого пара:
4. Находим параметры перегретого пара при, :
— удельный объем;
— теплопроводность;
— кинематическая вязкость;
— динамическая вязкость;
число Прандтля;
плотность;
изобарная теплоемкость.
5. Скорость перегретого пара в узком сечении:
6. Режим течения находим с помощью числа Рейнольдса:
смешанный режим
7. 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:
9. Т. к. тепловой поток принято относить к наружной поверхности труб, то коэффициент теплопередачи определяется по формуле:
10. Тепловой поток, отдаваемый перегретым паром в зоне ОП:
где
— значение энтальпии перегретого пара при
— теплота парообразования при
— расход пара.
11 Температура воды на входе в ОП:
.
12 Среднелогарифмический температурный напор в зоне ОП:
.
13. Площадь поверхности теплообмена в зоне ОП:
14. Длина труб в зоне ОП:
15. Среднелогарифмический температурный напор в зоне КП:
.
16. Определим площадь поверхности теплообмена в зоне КП:
где
— тепловой поток при конденсации пара;
— коэффициент теплопередачи и средний температурный напор при конденсации пара.
17. Длина труб в зоне КП:
18. Площадь поверхности теплообмена ПНД:
19. Полная длина труб в ПНД:
Данные теплового расчета зон ОП и КП ПНД:
Зона | |||||||||
ОП | 29,1570 | 28,8654 | 624,9777 | 15 152,6934 | 593,2417 | 64,5805 | 753,4326 | 1,9889 | |
КП | 60,9744 | 60,3646 | 7113,7393 | 15 152,6934 | 4421,4613 | 26,5202 | 514,8018 | 1,3590 | |
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.
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.
3. Назмеев Ю. Г., Лавыгин В. М. Теплообменные аппараты тепловых электрических станций. — М.: Энергоатомиздат, 1998 г. — 285 с.
4. Авчухов В. В., Паюсте Б. Я. Задачник по процессам тепломассообмена. — М.: Энергоатомиздат, 1986. — 144с.
5. Краснощёков Е. А., Сукомел А. С. Задачник по теплопередаче — М.: Энергия, 1980. — 288с.
6. Исаченко В. П. и др. Теплопередача — М.: Энергоиздат, 1981. — 416с.
7. Александров А. А., Григорьев Б. А. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара: Справочник. — М.: Издательство МЭИ. 1999. — 168с.