2020-04-20
270
Исходные данные для расчета газо-водяного подогревателя:
Расход сетевой воды через подогреватель - 75 т/ч
Температура воды на входе - 60 °С
Температура воды на выходе - 120 °С
Расход газов через подогреватель - 18,16 кг/с
Температура газов на входе - 388,69 °С
Газо-водяной подогреватель имеет поверхность нагрева в виде поперечно омываемых газами труб с наружным оребрением, расположенными в шахматных пучках. Количество ходов по воде — 3, по газу — 1.
Геометрические параметры подогревателя:
Диаметр труб - 0,028 м
Диаметр ребра - 0,048 м
Внутренний диаметр трубы - 0,022 м
Толщина ребра - 0,002 м
Шаг ребра - 0,005 м
Поперечный шаг труб - 0,06 м
Продольный шаг труб - 0,045 м
Ширина подогревателя - 2 м
Высота подогревателя - 2 м
Для определения температуры газов на выходе из подогревателя составим уравнение теплового баланса подогревателя:
Qв = Qг,
где Qв = Gв (h" – h') — теплота, воспринимая водой,
здесь
Gв = 75 т/ч = 20,83 кг/с – расход воды через подогреватель;
h" = 505,05 кДж/кг – энтальпия воды на выходе из подогревателя;
h' = 253,23 кДж/кг – энтальпия воды на входе в подогреватель;
Qг = Gг (i' – i") — теплота, переданная газами воде в подогревателе,
здесь
Gг = 18,16 кг/с – расход газов через подогреватель;
i' = 408,7 кдж/кг – энтальпия газов на входе в подогреватель.
Тогда энтальпия газов на выходе из подогревателя может быть найдена из следующего выражения
i" = 
=
= 119,85 кДж/кг.
Тогда температура газов на выходе из подогревателя составит J" = 116,6 °С.
Задачей расчета является определение необходимой поверхности нагрева подогревателя для обеспечения требуемой тепловой производительности.
Живое сечение поверхности нагрева для прохода газов определяется по следующей формуле
F = 
= 1,6 м2.
Здесь 
— поперечный шаг труб, м;
d — диаметр несущей трубы, м;
— высота ребра, м;
— шаг ребер, м;
— толщина ребра, м.
Объем газов, проходящих в расчетном сечении, при плотности r = 1,292 кг/м3
Vг = Gг /r = 18,16/1,292 = 14,09 м3/с.
Скорость газов в расчетном сечении
wг = Vг/F = 14,09/1,6 = 8,806 м/с.
Для круглых труб с круглыми ребрами отношение поверхности ребер к полной поверхности с газовой стороны
= 
=
= 
= 0,9005.
Здесь D — диаметр ребра, м.
Отношение участков несущей поверхности без ребер к полной поверхности с газовой стороны
.
Далее определим коэффициент теплоотдачи конвекцией при поперечном омывании шахматного пучка труб с круглыми ребрами из следующего выражения.
aк = 0,23 Сz j 
=
= 0,23∙1,02∙1,2280,2∙ 
=
= 55,38 ккал/(м2∙ч∙°С)
Здесь
Сz — поправочный коэффициент, определяется по номограмме 26 [Л. 8];
j 
= 
=1,228 — параметр, учитывающий геометрическое расположение труб в пучке,
здесь
s1 = s1/d = 0,06/0,028 = 2,143 — относительный поперечный шаг труб;
s'2 = 
=1,931 — относительный диагональный шаг труб;
s2 = s2/d = 0,045/0,028 = 1,607 — относительный продольный шаг труб;
l — коэффициент теплопроводности при средней температуре потока газов, ккал/(м2∙ч∙°С);
n — коэффициент кинематической вязкости при средней температуре потока газов, м2/с.
Приведенный коэффициент теплоотдачи с газовой стороны, отнесенный к полной поверхности, определяется по формуле
a'1пр = 
= 47,89 ккал/(м2∙ч∙°С).
Здесь, Е — коэффициент эффективности ребра, определяемый в зависимости от формы ребер и параметров bhрб и D/d по номограмме 24 [Л. 8];
b = 
= 
= 37,146;
lм — коэффициент теплопроводности металла ребер, ккал/(м2∙ч∙°С);
m — коэффициент, для ребер постоянной толщины равен 1;
— коэффициент, учитывающий неравномерную теплоотдачу по поверхности ребра, для ребер с цилиндрическим основанием принимается равным 0,85.
e — коэффициент загрязнения, при сжигании газа принимается равным 0.
Коэффициент теплопередачи, отнесенный к полной поверхности с газовой стороны, найдем по следующей формуле
k = 
.
Для поверхностей нагрева, в которых нагревается вода, влиянием 1/a2 пренебрегают, т.к. a2 >> a1. Тогда
k = a'1пр = 45,38 ккал/(м2∙ч∙°С) = 52,77 Вт/(м2∙К).
Для нахождения необходимой поверхности нагрева подогревателя, необходимо решить уравнение теплового баланса
Qг = kH D t,
H = 
Далее необходимо определить температурный напор. Для этого составим схему движения сред в подогревателе.
В подогревателе применена трехходовая по воде схема с перекрестным током.
Температурный напор в подогревателе определяется по следующей формуле
D t = jD tпрт = 1∙71,26 = 71,26 °С.
Рис. 8. Схема движения сред в подогревателе.
Здесь D tпрт = 
=71,26 °С — температурный напор для противоточной схемы движения сред в подогревателе.
Здесь 
= J’ – t” = 388,69 – 120 = 268,69 °С — наибольшая разность температур сред на конце поверхности нагрева,
= J” – t’ = 116,6 – 60 = 56,6 °С — наименьшая разность температур сред на конце поверхности нагрева.
j = 1 — коэффициент пересчета от противоточной схемы к перекрестной. Находится по номограмме 31 [Л. 8] в зависимости от параметров Р и R.
Полный перепад температуры газа в подогревателе
tб = J’ – J” = 388,69 – 116,6 = 272,09 °С
Полный перепад температуры воды в подогревателе
tм = t” – t’ = 120 – 60 = 60 °С
Параметр Р = 
Параметр R = 
.
Тогда, с учетом найденных ранее значений Qг, D t и k, определим необходимую полную поверхность нагрева подогревателя.
H = 
= 
= 1394,828 м2.
Тогда, оребреная поверхность труб будет иметь площадь 1256,043 м2, а гладкая соответственно 138,785 м2. Тогда общая длина труб может быть найдена простыми вычислениями и она составит 2629,56 м.
При заданных геометрических параметрах подогревателя можно найти количество труб в ряду и количество рядов труб. Они составят
количество труб в ряду – 34 шт,
количество рядов – 39 шт.
Геометрические размеры подогревателя при полученном количестве труб в ряду и количестве рядов труб составят (рабочая часть, без учета подводящих и отводящих патрубков по газовой и водяной стороне):
длина — 1,8 м,
ширина — 2 м,
высота — 2 м.
