Промышленные тепломассообменные процессы и аппараты

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ РФ

Брянский государственный технический университет

Кафедра "ПРОМЫШЛЕННАЯ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКА"

Курсовой проект по дисциплине:

"Промышленные тепломассообменные процессы и аппараты"

Выполнил студент

гр.05-ПТЭ

Титмошенко О.С.

Проверил

Соченов В.Н.

Брянск 2008

Содержание

1. Расчет расходов и параметров теплоносителей в системе регенеративного подогрева ПТ-135-130

1.1 Принципиальная тепловая схема системы регенеративного подогрева ПТ-135-130

1.2 Параметры турбины ПТ-135-130 и параметры пара в отборах

1.3 Определение параметров греющего пара на входе в подогреватели

1.4 Определение параметров питательной воды

1.5 Определение расходов воды и греющего пара на подогреватели из уравнений теплового баланса

2. Расчет подогревателя ПВД-7

2.1 Схема и тепловой баланс ПВД-7

2.2 Геометрические характеристики поверхности теплообмена ПВД-7

2.3 Тепловой расчет ПВД-7

3. Расчет пикового сетевого подогревателя

3.1 Схема и тепловой баланс подогревателя

3.2 Гидравлический расчёт

Список использованной литературы

1. Расчет расходов и параметров теплоносителей в системе регенеративного подогрева ПТ-135-130
1.1 Принципиальная тепловая схема системы регенеративного подогрева ПТ-135-130

1.2 Параметры турбины ПТ-135-130 и параметры пара в отборах

- номинальная мощность – 135 МВт;

- давление свежего пара – 12,75МПа;

- температура свежего пара – 555°С;

- давление отработавшего пара – 3,43 кПа;

- номинальный расход пара – 760 т/ч;

- температура питательной воды - 230°С.

Таблица 1

№ отбора	Подогреватель	Давление, МПа	Температура, °С
I	ПВД-8	3,335	375
II	ПВД-7	2,236	325
III	ПВД-6	1,49	275
III	Деаэратор	1,07	385
IV	ПНД-4	0,5	178
V	ПНД-3	0,24	127
VI	ПНД-2	0,078	92
VII	ПНД-1	0,019	59

1.3 Определение параметров греющего пара на входе в подогреватели

Определяем параметры греющего пара на входе в подогреватели: pi
=(0.90…0.97)pотб.
Принимая потери в магистралях подвода равными 5%, получим: pi
=
0.95pотб
, то есть в ПВД-8 греющий пар поступает с давлением, p8
=0.95·3,335=3,1683МПа, в ПВД-7 – с p7
=0.95·2.236=2.1242МПа и т.д.

Результаты расчета сведены в таблице 2.

Параметры греющего пара, поступающего в деаэратор(рабочее давление деаэратора) определяется ГОСТ 16.860-77. Стандартное давление в деаэраторе турбины ПТ-135-130 pд
=0,74МПа, ему соответствует температура питательной воды tд
=167,2°С.

По таблицам водяного пара определяем для всех подогревателей схемы:

- энтальпию греющего пара на входе в подогреватель hi
по давлению пара pi
и температуре пара в отборе для ПВД-8 при и t8
=349°C энтальпия равна h8
=3189 кДж/кг, и т.д;

- температуру насыщения пара ts
при pi
для ПВД-8 при p8
=3.1683МПа, ts
8
=236,9°С и т.д;

- энтальпию насыщенного пара hs
´´ и энтальпию конденсата hs
´ при той же температуре для ПВД-8 при ts
8
=236,9°С hs
´´=2801 кДж/кг и hs
´=1023 кДж/кг и т.д.;

Результаты приведены в таблице 2.

Определим температуру конденсата на входе в линию регенеративного подогрева по давлению отработавшего пара pк
=3.43 кПа: при pк
=3.43 кПа ts
=27°С.

Таким образом, в системе регенеративного подогрева температура питательной воды повышается от ts
=27°С до tд
=167,2°С в линии низкого давления, включая деаэратор Д, и от tд
=167,2°С до tвд
=234,9°С – в линии высокого давления.

Следует отметить, что нагрев воды в деаэраторе составляет 19,3°С, что является несколько завышенным.

Таблица 2 Параметры пара в системе регенерации ПТУ ПТ-135-130

Параметры	ПВД-8	ПВД-7	ПВД-6	Д	ПНД-4	ПНД-3	ПНД-2	ПНД-1	К
1. Давление пара в отборе pотб , МПа	3,335	2,236	1,49	1,07	0,5	0,24	0,078	0,019	-
2. Температура пара в отборе ti , °С	375	325	275	385	178	127	92	59	-
3. Давление пара на входе в ТА рi , МПа	3,1683	2,1242	1,4155	0,74	0,475	0,228	0,0741	0,0181	0,0034
4. Энтальпия пара на входе в подогреватель hi , кДж/кг	3189	3078	2984	3236	2809	2717	2663	2608	-
5. Температура насыщения пара ts , °С	236,9	215,4	195,5	167,2	149,9	124,4	91,5	57,9	27
6. Энтальпия пара на входе в зону конденсации hs ΄΄, кДж/кг	2801	2799	2789	2765	2746	2712	2662	2606	-
7. Энтальпия конденсата на выходе из зоны конденсации hs ΄, кДж/кг	1023	923	832	707	632	522	383	242	113,1
8. Расход пара через подогреватель Gп , т/ч	33,14	29,01	35,32	-	32,07	36,83	34,40	27,07	-

1.4 Определение параметров питательной воды

Из условия равенства нагрева воды в теплообменниках для линии низкого давления четырех ПНД, питательная вода должна нагреться от tк
=27°C до t4
≈ 150°C: нагрев в одном ПНД δti
= (150–27)/4 = 30,75°C.

Для линии ПВД, где в трех ПВД питательная вода нагревается от tд
=167°С до t8
=235°C: нагрев в одном ПВД δti
= (235-167)/3 = 22,7°С.

По заданию требуется, чтобы температура питательной воды на выходе из подогревателя была ниже температуры греющего пара ts
не более, чем на 2°С.

Тогда температура питательной воды на выходе из подогревателей определяется однозначно при известных параметрах греющего пара в отборах:

t΄΄вд
= ts
– 2°C.

Для ПВД-8: t΄΄вд8
= 236,9 – 2 = 234,9°С, для ПВД-7: t΄΄вд7
= 215,4 – 2 = 213,4°С и т.д. Тем самым определяется температура питательной воды на входе в следующий подогреватель, так как t΄вд8
= t΄΄вд7
, t΄вд7
= t΄΄вд6
и т.д. Результаты этих вычислений представлены в таблице 3.

По таблицам термодинамических свойств воды и водяного пара находим энтальпии питательной воды на входе и на выходе из подогревателя.

Для ПВД-8: на выходе при t΄΄вд8
= 234,9°С h΄΄вд8
= 1016,9 кДж/кг, на входе при t΄вд8
= 213,4°С h΄вд8
= 919,9 кДж/кг.

Для ПВД-7: на выходе при t΄΄вд7
= 234,9°С h΄΄вд7
= 919,9 кДж/кг, на входе при t΄вд7
= 213,4°С h΄вд7
= 831,9 кДж/кг.

Результаты сведены в таблицу 3. Следует проверить выполнение условий о предельных значениях δt в одном подогревателе.

Давление питательной воды в линии ПВД определяется давлением в котле и обеспечивается питательными насосами, то есть pПВД
= pпит
≈ (1,45…1,55)p0
, где p0
– давление пара перед турбиной.

PПВД
≈ 1,5p0
= 1,5 · 12,75 = 19,125 МПа.

Принимаем pПВД
= 20 МПа.

Давление питательной воды в линии ПНД обеспечивается конденсатными насосами и равно для турбины ПТ-135-130 pк
= 1,5 МПа, т.е. pк
≈ 2pд
, где pд
– давление в деаэраторе.

Таблица 3 Параметры питательной воды в системе регенерации ПТУ ПТ-135-130

Параметры	ПВД-8	ПВД-7	ПВД-6	Д	ПНД-4	ПНД-3	ПНД-2	ПНД-1	К
1. Давление воды р, МПа	20	20	20	-	1,6	1,6	1,6	1,6	0,0034
2. Расход воды Gвд , т/ч	760	760	760	-	662,53	593,63	559,23	532,16	532,16
3. Температура воды на входе в теплообменник t΄вд , °С	213,4	193,5	167,2	147,9	122,4	89,5	55,9	27	-
4. Энтальпия воды на входе в теплообменник h΄вд , кДж/кг	919,9	831,9	718,0	-	514,8	375,9	235,2	114,5	-
5. Температура воды на выходе из зоны конденсации t΄΄вд , °С	234,9	213,4	193,5	167,2	147,9	122,4	89,5	55,9	27
6. Энтальпия воды на выходе из зоны конденсации h΄΄вд , кДж/кг	1016,9	919,9	831,9	-	623,8	514,8	375,9	235,2	113,1

1.5 Определение расходов воды и греющего пара на подогреватели из уравнений теплового баланса

ПВД-8

Расход питательной воды в первом приближе

нии через подогреватели высокого давления одинаков и определяется из условия GПВД
=Gк
, где Gк
=760т/ч – расход пара через паросиловую установку.

В линии ПВД-8 по тепловой схеме предусмотрено однопоточное движение питательной воды, GПВД
=Gк
. Тогда Gвд8
=Gвд7
=Gвд6
=760т/ч.

По заданию температура конденсата на выходе из ПВД должна превышать t΄вд
не более, чем на 10°С. Это означает, что конденсат должен переохлаждаться до tк
=t΄вд
+10=213,4+10=223,4°С. Энтальпия конденсата при tк
=223,4°С, hк
=964,7 кДж/кг.

Тогда

ПВД-7

В ПВД-7 сливается конденсат из ПВД-8 в количестве Gк8
. Температура слива из ПВД-7 должна быть tк
=t΄вд
+10=193,5+10=203,5°С. Энтальпия конденсата при tк
=203,5°С, hк
=875,1 кДж/кг. Уравнение баланса:

, откуда

.

ПВД-6

В ПВД-6 сливается конденсат из ПВД-7 в количестве Gк7
. Температура слива из ПВД-7 должна быть tк
=t΄вд
+10=167,2+10=177,2°С. Энтальпия конденсата при tк
=177,2°С, hк
=751,1 кДж/кг. Уравнение баланса:

, откуда

.

ПНД-5

ПНД-5 – это деаэратор. Он не рассчитывается.

ПНД-4

Линия ПНД – однопоточная. Расход питательной воды через ПНД-4: Gвд
=Gк
– ∑GкПВД
, так как каскадный слив конденсата из линий ПВД производится в деаэратор, и расход уменьшен на величину этого слива. Линия ПНД – однопоточная.

Тогда

Gвд
= 760 – (33,14+29,01+35,32)=662,53т/ч.

Конденсат сливается при температуре tк
=t΄вд
+10=122,4+10=132,4°С. Энтальпия конденсата при tк
=177,2°С, hк
=751,1 кДж/кг. Уравнение баланса:

.

ПНД-3

В ПНД-3 сливается конденсат из ПНД-4 в количестве Gк4
. Температура слива из ПНД-3 должна быть tк
=t΄вд
+10=89,5+10=99,5°С. Энтальпия конденсата при tк
=99,5°С, hк
=419,1 кДж/кг. Уравнение баланса:

,

,

.

ПНД-2

Конденсат сливается при температуре tк
=t΄вд
+10=55,9+10=65,9°С. Энтальпия конденсата при tк
=65,9°С, hк
=275,9 кДж/кг. Уравнение баланса:

, отсюда

,

.

ПНД-1

Конденсат сливается при температуре tк
=t΄вд
+10=27+10=37°С. Энтальпия конденсата при tк
=37°С, hк
=155 кДж/кг. Уравнение баланса:

, отсюда

,

2. Расчет подогревателя ПВД-7
2.1 Схема и тепловой баланс ПВД-7

Конструкция ПВД-7 принята вертикально-разборной с поверхностью нагрева из спиральных труб, соединенных с системой коллекторов. Подогреватель имеет встроенные в общий корпус зоны ОП и КП. Схема подогревателя приведена на рисунке 1.

Рисунок 1 Схема ПВД-7

Температурная схема ПВД-7 приведена на рисунке 2.

Рисунок 2 Температурная схема ПВД-7

Зона ОП размещена над трубным пучком зоны КП в отдельном кожухе. Кожухи, охватывающие пучки спиральных труб, и соединенные последовательно перепускные коробы в соответствии с принципиальными схемами потоков перегретого пара и конденсата, позволяют выполнить многоходовое движение греющей среды в межтрубном пространстве перпендикулярно плоскостям спиральных труб. Соединение трубных пучков зон по питательной воде выполнено параллельным, при четырехколлекторной компоновке ПВД поверхности нагрева расположены в четырех вертикальных колоннах спиральных труб.

Поверхность нагрева подогревателей составляют двухплоскостные спиральные трубы. Спирали навиваются из труб диаметром 32х5 мм из материала Ст20. К верхней части коллекторов подключены трубопроводы для выпуска воздуха при заполнении трубной системы питательной водой. Предусмотрен дренаж из корпусов и трубных систем.

На корпусе ПВД имеется фланцевый разъем с мембранным уплотнением, а на съемной части корпуса приварены специальные монтажные штуцеры для строповки при подъеме корпуса.

Определим тепловые потоки в зонах ПВД-7:

Тепловой поток в зоне ОП составляет более 5%Qкп
, значит расчет этой зоны необходим. Тепловой поток в зоне ОК составляет менее 5%Qкп
, значит расчет этой зоны не нужен.

Рассчитаем нагрев воды в зонах, предполагая, что через них проходит полный расход питательной воды Gвд
=760т/ч:

Становится очевидной нерациональность решения: поверхность в зоне ОП практически не нагревает воду (но должна пропускать полный расход воды Gвд
и содержать большое число спиралей). Общепринятым является перепуск основной части воды в обход зоны ОП.

Расход воды через зону ОП подбирается из условий:

1. Заданный теплосъем Qоп
реализуется при температурных напорах не менее 10°С.

2. Скорость воды в элементах подогревателей не превышающая 2 м/с.

В первом приближении принимаем нагрев воды в зоне ОП δtвд
, равным 12°С.

Тогда расход в зоне ОП:

Температурный напор в зоне ОП (противоток):

Найдем ориентировочно число спиралей в зонах, принимая скорость воды в трубах wвд
=2м/с(при dвн
=22мм):

Число колонн в ПВД принимается равным N=4 чтобы обеспечить приемлемую высоту теплообменника. Принимаем n кратным 12: nкп
=276; nоп
=60.

2.2 Геометрические характеристики поверхности теплообмена ПВД-7

Результаты расчета геометрических характеристик поверхности теплообмена представлены в таблице 4.

Таблица 4 Геометрические характеристики поверхности теплообмена

Наименование и ед. изм.	Обозначение	Расчетная формула или способ определения	КП	ОП
Наружный диаметр трубы, м	dн	Принято	0,032	0,032
Внутренний диаметр трубы, м	dвн	Принято	0,022	0,022
Тип спиральной трубы	-	Принято nпл =2	Двухплоскостная
Внутренний диаметр спирали, м	Dвн	Принято	0,200	0,200
Шаг спирали, м	S	dн +0,004	0,036	0,036
Число витков спирали	nв	Принято	6	6
Наружный диаметр спирали, м	Dн	Dвн +(2nв -1)S	0,596	0,596
Длина спиральной трубы, м	lсп		15,0	15,0
Наружная поверхность спиральной трубы, м	Fн	πdн lсп	1,51	1,51
Внутренний диаметр кожуха, м(b=0,01м)	Dк	Dн +dн +2b	0,648	0,648
Число спиральных труб в зоне, шт	N	Из п.2.1.	276	60
Наружный диаметр коллекторов, м	dкол.н.	Принято	0,273	0,273
Внутренний диаметр коллекторов, м	dкол.вн.	Принято	0,189	0,189
Шаг отверстий в коллекторе, м	Sкол	Принято	0,072	0,072

2.3 Тепловой расчет ПВД-7

Расчет зоны КП

1. Средний логарифмический температурный напор

2. Средняя температура питательной воды

3. Удельный объем питательной воды νвд
=0,0011635м3
/кг;

– коэффициент динамической вязкости μвд
=133,9·10-6
Па·с;

– коэффициент теплопроводности питательной воды λвд
=0,660 Вт/м·град;

– число Прандтля питательной воды Prвд
=0,92.

4. Скорость питательной воды в трубах

wвд
> 2, значит нужно увеличить число труб в зоне до nкп
=336, тогда

5. Число Рейнольдса для питательной воды

6. Коэффициент теплоотдачи от стенки к питательной воде

7. Термическое сопротивление со стороны питательной воды

8. Температура стенки

9. Средняя температура конденсата

10. Температурный напор "пар-стенка"

11. При tк
=212,7°С коэффициент А равен 198,5.

12. Коэффициент теплоотдачи от греющей среды к стенке для верхнего ряда

13. Средний коэффициент теплоотдачи в пучке , здесь n=42 – число плоскостей спиралей по ходу пара. Число труб в зоне КП принято nкп
=336; число труб в ходе nкп
/4=336/4=84; число плоскостей 84/2=42 (для четырехколонного ПВД).

В итоге

14. Термическое сопротивление со стороны греющей среды

15. Коэффициент теплопередачи (Rст
=1,298·10-4
м2
·град/Вт)

16. Расчетная поверхность

Имеющаяся поверхность в зоне КП Fкп
=nкп
·Fн
=336·1,51=507м2
близка к расчетной.

17. Температура стенки

что практически совпадает с принятым tст
=209,9°С.

Расчёт зоны ОП

1. Средняя температура питательной воды

2. Теплофизические свойства воды при

3. Скорость питательной воды в трубах

4. Число Re для воды

5. Коэффициент теплоотдачи со стороны питательной воды

6. Термическое сопротивление со стороны питательной воды

7. Температурный напор

8. Средняя температура греющей среды

9. Тепловые свойства пара при

10. Скорость пара

11. Число Рейнольдса с греющей паровой стороны

12. Коэффициент теплоотдачи с паровой стороны

13. Термическое сопротивление

14. Коэффициент теплопередачи

15. Расчётная поверхность

16. Имеющаяся поверхность

Поверхности не хватает, увеличиваем nоп
с 60 до 120, тогда

- расчётная поверхность;

- поверхность, реализуемая в зоне ОП.

Итак, общее число спиральных труб подогревателя ПВД-7:

При шаге отверстий 0,072м общая высота одной колонны 17,2м, а при четырех колонной компоновке 4,32м, с учетом промежутков между зонами и необходимых дополнительных объемов высота возрастает до 5…5,5м, что приемлемо.

Общая поверхность теплообмена подогревателя:

По каталогу [1] выбираем наиболее приемлемый подогреватель высокого давления: ПВ-760-230-14.

Гидравлический расчёт ПВД-7

В спиралях КП:

В спиралях ОП:

(так как число рядов труб вдоль коллектора больше 15).

(так как для стали-20 ).

Тогда:

3. Расчёт пикового сетевого подогревателя

3.1 Схема и тепловой баланс подогревателя

1. Исполнение подогревателя - вертикальный с трубной системой из прямых латунных труб диаметром 23×4мм(из латуни Л68), разбивка труб по сторонам равностороннего треугольника с шагом S=26мм.

2. Число ходов по воде z=2.

3. Число подводов пара – 2.

Расход сетевой воды:

Тепловой баланс подогревателя:

Тепловой поток по сетевой воде:

Принимая недогрев равным 2°С, найдём минимальную температуру насыщения пара в аппарате:

По схеме установки с турбиной К-210-130 выбираем для получения греющего пара отбор №4 с параметрами пара , . Температура насыщения пара, поступающего в подогреватель, .

рис.3. Температурная схема СП

Расход греющего пара из отбора №4:

Тепловой расчёт.

1. Принимаем скорость сетевой воды в трубках .

2. Расчётное число труб на один ход воды

При

3. Общее число отверстий в трубной доске

4. Диаметр разбивки трубного пучка

Принимая a=1,15 и b=0,95, получим

5.Внутренний диаметр корпуса подогревателя, принимая А=0,25:

Расстояние между перегородками (конструктивно).

6. Теплофизические параметры сетевой воды при

7. Число Рейнольдса по сетевой воде

8. Коэффициент теплоотдачи со стороны воды

9. Термическое сопротивление с водяной стороны

10. Принимаем температуру стенки трубы

11. Средняя температура плёнки конденсата

12. Температурный напор "пар-стенка"

13. Теплофизические параметры:

а)конденсата при

б)пара на входе в пучок при

14. Принимаем диаметр входного патрубка по пару D=1м, определим входную скорость пара(считая число подводов пара z=2)

В узком сечении пучка скорость возрастает до 40…50 м/с(обычные значения в пароводяных подогревателях).

Считая , рассчитываем следующие комплексы

По из таблицы берём значение А=196

15.Коэффициент теплоотдачи для труб верхнего ряда

С учётом скорости движущегося пара при и ,:

16. Средний коэффициент теплоотдачи в пучке при и

,

где n=20 – половина числа рядов труб по ходу пара.

17. Термическое сопротивление с паровой стороны

18. Термическое сопротивление стенки

19. Коэффициент теплопередачи

20. Температурный напор (пренебрегая перегревом)

21. Расчётная поверхность трубного пучка

22. Длина труб в пучке

По каталогу [1] выбираем наиболее приемлемый подогреватель сетевой воды. Аналогом может служить ПСВ-500-14-23 (с.58).

3.2 Гидравлический расчёт

Потери напора по водяной стороне (в пучке и водяных камерах)

При и коэффициент путевых потерь

Коэффициенты местных сопротивлений

-поворот в водяной камере

-вход в пучок

-выход из пучка

Тогда при (в пучке)

Список использованной литературы

1. Теплообменное оборудование паротурбинных установок: Отраслевой каталог 20-89-09.-М.:ЦНИИТЭИТЯЖМАШ,1989,-ч.1, 110 с.; ч.2, 173 с., ил.

2. Ривкин С.Л., Александров А.А. Термодинамические параметры воды и водяного пара. – М.: Энергия, 1975. – 60 с.

3. Краснощеков Е.А., Сукомел А.С. Задачник по теплопередаче. – М.: Энергия, 1980. – 288 с.

4. Теплопередача: Учебник для вузов/ В.П. Исаченко, В.А.Осипова, А.С. Сукомел. – М.: Энергоиздат, 1981.-416с., ил.

5. Берман С.С. "Расчет теплообменных аппаратов". М.-Л. Госэнергоиздат, 1962., 240 с. с черт. и илл.

6. Теплообменные процессы и аппараты: Методические указания к курсовому проектированию для студентов специальности 100700"Промышленная теплоэнергетика".-Брянск: БГТУ, 2000.-88 с.