Парогенераторы и теплообменники 2

1.

•Теплообменным
аппаратом
называется
устройство, в котором осуществляется процесс
передачи теплоты от одного теплоносителя к
другому. Такие аппараты многочисленны по
своему техническому назначению и весьма
разнообразны
по
конструктивному
оформлению.
По
принципу
действия
теплообменные аппараты подразделяются на
рекуперативные,
регенеративные
и
смесительные.

2.

•Рекуперативными
называются
такие аппараты, в которых
теплота от горячего теплоносителя
к холодному передается через
разделяющую
их
стенку.
Примером
таких
аппаратов
являются
парогенераторы,
конденсаторы.

3.

4.

•Регенеративными
называются
такие
аппараты, в которых одна и та же поверхность
нагрева омывается то горячим, то холодным
теплоносителем. При протекании горячей
жидкости
теплота
воспринимается
поверхностью аппарата и аккумулируется, при
протекании
холодной
жидкости
эта
аккумулированная теплота ею отбирается.
Примерами
таких
аппаратов
являются
регенераторы
мартеновских
печей,
воздухоподогреватели доменных печей.

5.

6.

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

7.

•В смесительных аппаратах процесс
теплопередачи
происходит
путем
соприкосновения
и
смешивания
греющего и холодного теплоносителей. В
этом случае теплопередача протекает
одновременно
с
материальным
обменом.
Примером
таких
теплообменников являются башенные
охладители (градирни), скрубберы и т.п.

8.

9.

•Специальные
названия
теплообменных
аппаратов
обычно
определяются
их
назначением, например парогенераторы, печи,
водонагреватели, испарители, перегреватели,
конденсаторы, деаэраторы и т.д. Однако,
несмотря на большое разнообразие по виду,
устройству и принципу действия назначение их
одно и то же, это - передача теплоты от одного
теплоносителя к другому. Поэтому и основные
положения теплового расчета для них остаются
общими.

10.

• Виды расчета теплообменных аппаратов
• Существует два вида расчета теплообменных аппаратов:
• - конструктивный, при
котором по заданному
количеству теплоты Q, переданному в теплообменном
аппарате, расходу теплоносителя, его физическим
свойствам, а также температуре на входе и выходе из
аппарата определяется
поверхность теплообмена F
теплообменного аппарата;
• - поверочный (проверочный), при котором по заданной
поверхности аппарата F, интенсивности теплопередачи,
начальной температуре теплоносителя, определяется
количество переданной теплоты Q, а также конечная
температура теплоносителя.

11.

• Уравнение теплового баланса
Q1 Q 2 Q
• Где Q1 G1Cp1 ( t t ) - количество теплоты, отданное
горячим (источником) теплоносителя;
''
'
Q 2 G 2 Cp 2 (t 2 t 2 ) - количество теплоты, воспринятое
холодным теплоносителем;
Cp 2 , Cp1 - удельные теплоемкости теплоносителей;
G1 , G 2 - массовые расходы горячего и холодного
теплоносителя;
'
''
t 1 , t 1 - температуры на входе и выходе из аппарата горячего
теплоносителя;
'
''
t 2 , t 2 - температуры на входе и выходе холодного
теплоносителя.
'
1
''
1

12.

• В тепловых расчетах важное значение имеет величина,
Дж Вт
• называемая водяным эквивалентом W
с К К
• W = G Сp
• где G =ρ ω f; - массовый расход теплоносителя;
• ρ - плотность вещества;
• f - площадь поперечного сечения;
• ω - скорость теплоносителя.
• Если величину W ввести в уравнение теплового баланса, то
оно принимает вид
'
''
t 1 t 1 W2
'
''
''
'
W1 ( t 1 t 1 ) W2 ( t 2 t 2 ) ''
'
t 2 t 2 W1

13.

• Отношение
изменения
температуры
в
теплообменных
аппаратах
обратно
пропорционально
отношению
их
водяным
эквивалентам.

14.

• Теплопередача в теплообменном аппарате
• При выводе расчетных формул теплопередачи принято, что в
данной точке или сечении теплообменного аппарата
температура рабочей жидкости постоянна, что является
приближением для всей поверхности аппарата только при
кипении жидкости и конденсации пара.
• В общем случае температура рабочих жидкостей в
теплообменном аппарате изменяется: горячая охлаждается,
холодная нагревается, поэтому изменяется температурный напор
между жидкостями.
• В этих условиях уравнение теплопередачи применимо лишь в
дифференциальной форме к элементу поверхности dF
dQ k i t i dFi

15.

• Общее количество теплоты, передаваемое через всю
поверхность F аппарата, определяется интегралом этого
выражения
F
Q k i t i dFi
• , откуда
0
Q k t F
• где Δt - среднее значение температурного напора по всей
поверхности теплообменного аппарата.
• Это уравнение теплопередачи теплообменного аппарата.

16.

• Характер изменения температуры рабочих жидкостей вдоль
поверхности нагрева зависит от схемы их движения и
соотношения величин w1 и w2.
• Если в теплообменном аппарате горячая и холодная жидкость
протекают параллельно и в одном направлении, то такая схема
движения называется прямотоком.
• Если в теплообменном аппарате жидкости протекают
параллельно, но в противоположенном направлении, то такая
схема движения называется противотоком.
• Если жидкости в теплообменном аппарате протекают под уголом
90° друг к другу, то такая схема движения называется
перекрестной.
• На практике применяют сложные схемы: одновременно
прямоток и противоток, многократный перекрестный ток.

17.

• Схемы изменения температуры
нагрева теплообменного аппарата
вдоль
поверхности
а) прямоток
t
t
w1 w2
t1'
w1 w2
t1'
t1''
t1''
t 2''
t 2''
t 2'
t 2'
1
F
1 - изменение температуры
греющей жидкости меньше,
чем изменение температуры
нагреваемой жидкости;
2
F
2 - изменение температуры
греющей жидкости больше, чем
изменение
температуры
нагреваемой жидкости.

18.

б) противоток
F
t
'
1
t
t 2'
t
w1 w2
t1''
t 2''
t1'
w1 w2
t1''
t 2'
t 2''
F
1
1 - изменение температуры
греющей жидкости больше,
чем изменение температуры
нагреваемой жидкости;
F
2
2 - изменение температуры
греющей жидкости меньше,
чем изменение температуры
нагреваемой жидкости.

19.

• На основании графиков можно сделать вывод, что при
прямотоке температура нагреваемой жидкости при выходе из
аппарата всегда меньше температуры греющей жидкости, т.е.
• ( t 2'' t1'' ) , то есть температура нагреваемой жидкости
никогда не может быть выше температуры греющей жидкости.
• При противотоке температура нагреваемой жидкости при
выходе из аппарата может равняться или быть больше
''
''
• температуры греющей жидкости на выходе, t 2 t1 , то есть
можно получить температуру холодного теплоносителя на
выходе выше температуры греющего теплоносителя.

20.

• в) частный случай, т.е. когда одна или обе жидкости не меняют
своих температур
t
t
t1'
''
1
t
t 2''
t 2'
1
F
1 - греющая среда - насыщенный пар, а
нагреваемая среда жидкость, t=const,
следовательно процесс теплообмена идет
при p=const. Не имеет значения схема
движения теплоносителей;
t1'
t1''
t 2'
t 2''
2
F
2 - греющая среда - насыщенный пар,
нагреваемая среда- вода в состоянии
кипения.
Температуры
обоих
теплоносителей остаются постоянными.

21.

• Уравнение теплового баланса для теплообменных аппаратов при
применении водяного пара в качестве греющего теплоносителя
M1 (i i ) M 2 c p 2 (t t )
'
1
''
1
''
2
'
2
• где М1 - масса пара;
'
• и i '' - начальная и конечная энтальпия греющего
1
1
теплоносителя.
i
• Уравнения теплового баланса и уравнение теплового
баланса для водяного пара выражают баланс
теплообменного аппарата без потерь теплоты в
окружающую среду. Для учета потерь в левую часть
вводят КПД теплообменного аппарата, который
составляет η=0,98 0,99 при хорошей изоляции.

22.

• Средний температурный напор
• При выводе формулы осреднения температурного напора
рассмотрим простейший теплообменный аппарат, работающий
по схеме прямотока.
t
t
t '
dt1
dt 2
t ''
t1'
t1''
t 2''
t 2'
F
dF
F

23.

• Количество теплоты, передаваемое в единицу времени от
горячей жидкости к холодной через элементарную поверхность
dF, определяется уравнением
dQ k(t1 t 2 )dF
• При этом температура горячей жидкости понизится на dt1, а
холодной повысится на dt2. Следовательно:
где
dQ G1c p1dt1 G 2с p 2dt
dQ
dQ
dQ
dQ
dt 1
dt 2
G 2с p 2
W2
G 1с p 1
W1

24.

• Изменение температурного напора при этом
1
1
dQ mdQ
dt 1 dt 2 d t 1 t 2
W1 W2
1
1
• где m
W1 W2
• Подставив в уравнение dQ, получим:
d(t 1 t 2 ) mk (t 1 t 2 )dF
• или
d( t )
mkdF
t

25.

• Если m и k постоянны, то, интегрируя уравнение, получаем:
t
• или
d( t )
t t mk 0 dF
F
t
ln
mkF
t
• Откуда
t t e
mkF
• где t – местное значение температурного напора (t1 – t2),
относящееся к элементу поверхности теплообмена.

26.

• Вдоль поверхности нагрева температурный напор изменяется по
экспоненциальному закону. Зная этот закон, легко установить и
среднее значение температурного напора t . На основании
теоремы о среднем (при k=const) имеем
1
t mkF
t
mkF
t tdF
e
dF
e
1
F0
F 0
mkF
F
F
• Подставляя в уравнение значение mkF и e-mkF и имея ввиду, что в
конце поверхности нагрева t = t , имеем
t t t t
t
t
t
ln
ln
t
t

27.

• Или
(t1 t2 ) (t1 t2 )
t
t1 t2
ln
t1 t2
• Такое
значение
температурного
напора
называется
среднелогарифмическим и часто в литературе обозначается tлог.

28.

• Точно таким же образом выводится формула осреднения температурного
напора и для противотока. Отличие лишь в том, что в правой части
уравнения следует поставить значение минус, и поэтому формула для
осреднения будет иметь вид
(t1 t2 ) (t1 t2 )
t
t1 t2
ln
t1 t2

29.

• При равенстве величин W1 и W2 в случае противотока (m=0)
имеем t = t . В этом случае температурный напор по всей
поверхности постоянен
t t t1 t2 t t1 t2
• Формулы и можно свести в одну, если независимо от начала и
конца поверхности через tб обозначить больший, а через tм
меньший температурные напоры между рабочими жидкостями,
тогда общая формула для прямотока и противотока примет вид
tб t м tб t м
t
tб
tб
ln
2,3 lg
t м
t м

30.

• Средняя разность температур при перекрестном токе
• t - определяется как для чистого противотока.
• Определяется поправка t на отклонение схемы перекрестного
тока от противоточной, t 1 всегда.
t 2 t 2
t 2
P
,
t1 1 t 2 t max
t1 t1 t1
R
.
t 2 t 2 t 2

31.

t
Rc
on
st
0 .1
tp
0 .5
0
p
pp
1 .0

32.

• Средняя разность температур перекрестного тока определяется
по формуле:
t пер tпрот t p

33. Расчет парогенератора

34.

Расчёт парогенератора типа вода-вода без перегрева
№
Наименование
Значение
1
Тепловая мощность
2
Давление первого контура
3
Давление второго контура
4
Температура первого контура входная
5
Температура первого контура выходная
QПГ
6
Температура питательной воды
7
КПД парогенератора
Величина
МВт
P1
МПа
P2
МПа
t1
t пв
t1
оС
оС
оС
%

35.

• Дополнительные условия:
• Характер движения теплоносителя и рабочего тела:
• теплоноситель движется в трубном пространстве
• рабочее тело движется в межтрубном пространстве
• естественная многократная циркуляция
• Специальные ограничения:
• Pгидр.1контура ≤ 0,15 атм.

36.

• Принципиальная тепловая схема
вход теплоносителя
X=1
t2''=ts (выход пара)
t1 '
t2 '
вход
питательной
воды
X<1
X-паросодержание
t1'' выход теплоносителя
Тепловая схема ПГ с водным теплоносителем

37.

• Тепловая мощность ПГ
• Расход теплоносителя и рабочего тела
QПГ Qэк Qисп
GТ h1 h1 D h2 эк hпв D r
• Здесь:
Qэк – тепловая мощность экономайзера.
Qисп – тепловая мощность испарителя.
GТ – расход теплоносителя через парогенератор.
h1 – энтальпия теплоносителя на входе в парогенератор.
h1 – энтальпия теплоносителя на выходе из парогенератора.
D – паропроизводительность парогенератора.
h2 эк – энтальпия воды в состоянии насыщения по второму контуру.
hпв – энтальпия питательной воды.
r – удельная теплота парообразования.

38.

• Необходимые значения энтальпий определяем из таблиц
• ГСССД 187-99 Вода. Удельный объем и энтальпия при
температурах 0...1000 °С и давлениях 0,001...1000 МПа

39.

Расход теплоносителя по первому контуру
QПГ
GТ
h1 h1
Паропроизводительность парогенератора
QПГ
D
h2 эк hпв r
Тепловая мощность испарителя
Qисп D r

40.

Тепловая мощность экономайзера
Qэк QПГ Qисп
Построение Q–T диаграммы ПГ
Определим энтальпию, а соответственно и температуру на выходе
из испарительного участка: Q
G(h h )
исп
Отсюда
1
1и
Qисп
h1 и h1
GT
Этой энтальпии соответствует
испарительного участка
температура
на
выходе
из

41.

• Определяем температуру воды при смешении
питательной воды с водой контура естественной
циркуляции: выберем такую температуру, чтобы
недогрев до температуры насыщения составлял (510) оС. Это делается из соображений безопасной
работы ПГ, так как при несоблюдении этого условия
вода в опускном участке будет кипеть, а этого
нельзя допустить.

42.

• Выбор
материала,
толщины
и
диаметра
труб
теплопередающей поверхности, материала корпуса и
коллектора теплоносителя
• Расчёт числа трубок теплопередающей поверхности, площади
проходного сечения трубного и межтрубного пространства
• Проходное сечение одной трубки:
f1тр
4
d
2
вн
• Суммарная площадь проходного сечения трубок:
GТН
•F
1 WТН
WТН
- скоростью теплоносителя

43.

• Число трубок ТО поверхности:
N тр
F
f1тр

44.

• Тепловой расчёт
• Тепловой расчёт испарительного участка
• Площадь поверхности теплообмена испарительного участка:
S исп
Qисп
K исп tисп
• <2,0 трубки можно считать тонкостенными и коэффициент
теплопередачи для плоской стенки запишем в виде:
1
K исп
1
1
Rст
2
1

45.

• Расчёт будем проводить на входе и на выходе испарительного
участка.
• Вход:
• Определим коэффициент теплообмена по первому контуру:
Nu
1
dвн
• По формуле Михеева: Nu 0,021 Re 0,8 Pr 0, 43
W1 d в н
Re

46.

• Термическое сопротивление стенки трубки и окисных плёнок:
ст
Rст
2 Rок
ст
берём при температуре стенкиt ст
t s 0,3 t1 t s

47.

• 2 будем определять методом последовательных приближений:
• 1 итерация.
1
1
• Для I приближения примем: q 0,75 t Rст
1
t t1 и t2 и
1
1
Rст
K исп
2
1
• 2 итерация.
1

48.

• Выход:
• Определим коэффициент теплообмена по первому контуру:
Nu
1
d вн
''
• ….
''

49.

• Определяем средний коэффициент теплопередачи по
испарительному участку:
K исп
K
вх
исп
K
2
вых
исп
• Рассчитываем среднелогарифмический напор:
tисп
t б t м
t б
ln
t м

50.

• Длина трубки испарительного участка:
Lисп
Sисп
d cр nтр

51.

• Тепловой расчёт экономайзерного участка

52.

• Исходные данные для расчёта:
№
Наименование
Значение
1
Тепловая мощность экономайзера
2
Температура входа в экономайзер по I контуру
3
Температура выхода из экономайзера по I контуру
4
Температура входа в экономайзер по II контуру
5
Температура выхода из экономайзера по II контуру
6
Средний удельный объём
Qэк
Величина
МВт
t1 эк
оС
t1 эк
t 2 эк
t 2 эк
оС
оС
оС
м 3 кг .
7
Средняя кинематическая вязкость
8
Среднее число Прандтля
9
Средний коэффициент теплопроводности
м с.
2
Pr
–
Вт м К

53.

• Считаем, что в межтрубном пространстве экономайзера
происходит поверхностное кипение недогретой до tS жидкости.
• Коэффициент теплоотдачи берётся по средней температуре
теплоносителя и среднему температурному напору.
• Средняя температура теплоносителя равна:
t эк
t1 эк t1 эк
2
• Средний температурный напор равен:
t эк tэк t s

54.

• Определим коэффициент теплообмена по первому контуру:
Nu эк
1
d вн
'
• По формуле Михеева:
Nu 0,021 Re Pr
• Определяем среднюю скорость:
0 ,8
GТН
W1
F
Re 1
W1 d в н
0, 43

55.

• Определим коэффициент теплообмена по второму контуру:
Nu '' эк
2
d вн
• По формуле Михеева:
Nu 0,021 Re 0,8 Pr 0, 43
• Определяем среднюю скорость в экономайзере:
W2
GРТ К Ц
Re 2
f м тр
W2 d в н

56.

• Термическое сопротивление стенки трубки и окисных плёнок:
Rст
2 Rок
ст
ст • берём по температуре стенки
• По таблице определяем
5
Rок 1,0 10
м2 К
Вт
tст t s 0,3 t эк t s
ст
для нержавеющих сталей.

57.

• Определяем коэффициент теплопередачи по экономайзерного
участка:
1
1
K эк Rст
2
1
1
• Рассчитываем среднелогарифмический напор:
t б t м
t эк
t б
ln
t м

58.

• Найдём поверхность теплообмена экономайзера:
Q
S эк
k * Dt
• Длина трубки экономайзерного участка:
S эк
Lэк
d cр nтр

59.

• Площадь теплопередающей поверхности, длина и масса труб
• Общая расчётная площадь теплообмена:
S р S эк S исп
• Поскольку в процессе эксплуатации парогенератора возможно
образование отложений, течей в отдельных трубках и их
заглушка,
то
фактическая
площадь
теплопередающей
поверхности рассчитывается с некоторым запасом.
S S р kз
• Значение коэффициента запаса kз выбирается из интервала от 1,1
до 1,25.
• Примем kз =1,15.

60.

• Общая длина трубки с учётом коэффициента запаса равна:
L
S
d cр nтр
• Масса одного метра трубы равна:
2
d н2 d вн
ml
4
4
• Масса труб:
mтр ml L nтр .

61.

• Гидравлический расчёт
• Целью данного расчета ПГ является определение гидравлических
сопротивлений препятствующих движению теплоносителя и рабочего
тела.

62.

2м
2м
2м
Испар-ый
уч-ок 3,7
6,27 м
Экон-ый
уч-ок 0,57

63.

• Определение движущего напора
• Для кратности циркуляции Кц=2
1
• Степень сухости равна: X
0,5
Кц
• Движущий напор равен:
см ) g
Рдв Н ( вх
– плотность воды на входе в экономайзерный участок
• Здесь: вх
• см – средняя плотность пароводяной смеси на выходе из
испарительного участка
• H – высота испарительного участка. H 3,7 м

64.

М М М X D Кц Х 108 кг с 2 0,5 108 кг с
• Определяем объёмное паросодержание и плотность смеси на
входе:
3
вх 796,8 кг м
оС
3
• вх
при
20,46 кг м
t
251
,
4
вх
вх
М
108
в х
20,46
0,975
М M
108
108
в х в х 20,46 796,8
кг
вх вх
1 вх 20,46 0,975 796,8 (1 0,975) 39,896 3
вх
м
вх
см

65.

• Определяем объёмное паросодержание и плотность смеси на
выходе:
в ых 787,6 кг м
3
• 22,68 кг м при t вых 257,41 оС.
в ых
3
в ых
вых
см
М
108
в ых
22,68
0,972
М
M
108
108
в ых в ых 22,68 787,6
вых
вых
кг
1 вых 22,68 0,972 787,6 (1 0,972) 44,09 3
вых
м

66.

• Определяем среднюю плотность смеси и движущий напор:
см
вх
вых
( см
см
) 39,896 44,09
кг
41,993 3
2
2
м
см ) g 3,7 (796,8 44,09) 9,8065 27,39кПа
Рдв Н ( вх
• Число трубок:
F
G
F n тр
n тр
d
2
в
4
G4
d в2