СОДЕРЖАНИЕ

1 ОБЩИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

В установках для горячего водоснабжения промышленных предприятий широко используются водонагреватели – аккумуляторы, одна из конструкции которого изображена на рис. 1.

а и б – водонагреватели – аккумуляторы; в – автоклав с паровой рубашкой; г – варочный котел с мешалками; д – варочный котел с выносным подогревателем.

Рисунок 1 – Типы рекуперативных аппаратов периодического действия.

Водонагреватели – аккумуляторы представляют собой сосуды большой емкости с паровым или водяным обогревом и применяются при периодическом расходе больших количеств воды. Вода в этих подогревателях нагревается в течение 3 – 5 часов, а расходуется из аккумулятора за 20 – 50 минут.

В нижней части сосуда размещен теплообменник с поверхностью нагрева, выполненной в виде пакета U – образных трубок или змеевиков. Греющим теплоносителем в них служит вода.

В задачи теплового расчета водонагревателя – аккумулятора входят:

1.  Определение размеров поверхности нагрева.

2.  Определение размеров корпуса водонагревателя – аккумулятора.

3.  Гидравлический расчет водонагревателя – аккумулятора.

4.  Технико-экономическое обоснование и выбор оптимальных параметров аккумулятора и размеров теплопередающей поверхности.

5.  Расчеты изменения производительности водонагревателя-аккумулятора и температур теплоносителей во времени.

Студент должен выполнить вариантный расчет водонагревателя-аккумулятора при трех различных скоростях греющей воды из рекомендуемого интервала 0,5 – 3 м/с [1] и произвести выбор оптимальной конструкции водонагревателя-аккумулятора.

1 – цилиндрический корпус; 2 – крышка; 3 – вогнутое днище; 4 – поверхность нагрева; 5 – подвод холодной воды; 6 – отвод нагретой воды:

Рисунок 2 - Вертикальный водонагреватель-аккумулятор.

2 Задание для выполнения курсовой работы

Рассчитать вертикальный водонагреватель-аккумулятор с водяным обогревом при следующих условиях:

1.  Необходимо набрать G2=……..т воды в течении =…….час с начальной температурой t'2=…….0C, t"2=…….0С.

2.  Для нагрева используется горячая вода с расходом G1=…кг/с и температурой на входе t'1=…0С.

3.  Греющая вода циркулирует по горизонтальным трубкам (материал - латунь),

Коэффициент теплопроводности - =……Вт/(м*0С) с внутренним и наружным диаметром d2 = 32.мм и d1 = 34.мм соответственно. На внутренней поверхности трубок наличие слоя накипи с δнак = 2мм (коэффициент теплопроводности λнак = Вт/(м *0С))

4.  Число часов использования аппарата n u = 7000.ч/год.

5.  Коэффициент полезного действия насоса, подающего греющую воду ηн= 97%

6. Коэффициент полезного действия электродвигателя насоса ηэд= 98%

7. Стоимость единицы площади поверхности нагрева СF = 700 тенге/м2.

8.Стоимость электроэнергии Сэ = 8,2кВт. ч.

9.Стоимость единицы массы корпуса аппарата См = 5200. тенге/кг.

На основе расчета и технико-экономического обоснования выбрать типовой аппарат и оптимальную конструкцию трубной системы.

3 Конструктивный тепловой расчет

Особенностью водонагревателя-аккумулятора с водяным обогревом является то обстоятельство, что при постоянных расходе G1 и температуре t'1 воды температура ее на выходе из аппарата t"1 по мере нагревания воды в аккумуляторе увеличивается. Это обстоятельство несколько усложняет расчет, так как появляются две переменные во времени температуры t1 и t2.

Изменение температур греющей и нагреваемой воды в аппарате в зависимости от времени изображено на рисунке 3.

Рисунок 3 - Изменение температур в водонагревателе-аккумуляторе с водяным обогревом.

Решая совместно дифференциальные уравнения теплопередачи и теплового баланса, получаем формулу для определения удельной тепловой производительности аппарата

k F = G1C1 ln , Вт/0С (1)

Определив kF и величину коэффициента теплопередачи по соответствующим формулам, можно найти поверхность нагрева аппарата.

Для определения коэффициента теплопередачи необходимо знать среднюю температуру нагреваемой воды t2, среднюю температуру греющей воды на выходе из аппарата и среднюю температуру греющей воды в аппарате t1.

Средняя температура нагреваемой воды, t2 , определяется выражением:

t2 =;0С (2)

Средняя температура греющей воды, выходящей из аппарата, t"1 ср, подсчитывается по формуле:

,0С (3)

Средняя температура греющей воды, , находится как средняя между температурой на входе и температурой на выходе :

0С (4)

Теплофизические свойства (кинематическая вязкость, плотность, теплопроводность и т. д.) греющей воды при температуре определяется либо путем линейной интерполяции (приближенно), либо с помощью соответствующих аппроксимаций (более точно).

Интерполирование: Для нахождения неизвестного значения функции f при значении аргумента х из интервала [a, b], если известны и , можно использовать формулу линейной интерполяции:

(5)

Для выявления теплофизических свойств греющей воды при температуре х=t1 рекомендуется таблица.

Формулы аппроксимации. Для каждого из используемого физического свойства воды существуют формулы вычисления, которые при подстановке соответствующей температуры, дают достаточно точные результаты. Например, для плотности воды можно воспользоваться формулой

, (6)

Коэффициент теплопроводности воды можно вычислить по следующей формуле:

, (7)

Коэффициент кинематической вязкости рекомендуется определить по формуле :

, (8)

Переменность теплоемкости воды учитывается следующим соотношением:

, (9)

Выбирают величину скорости (W) для греющей воды из интервала [0.5: 3.0] c условием удовлетворения соотношения

, (10)

где n- количество греющих трубок (целое число).

Вычисляют критерий Рейнольдса (Re1) при выбранной скорости греющей воды по формуле

(11)

Коэффициент теплоотдачи ( ) от греющей воды к поверхности трубок.

При этом, если 2300>Re1 (ламинарный режим)

,Вт/(м2 0С) (12)

Если ,

, Вт/м2 0С (13)

Если ,

, Вт/(м2 0С) (14)

Для последней формулы коэффициент А5 нужно вычислить интерполяцией при температуре греющей воды t1 по данным таблицы

Коэффициент теплоотдачи от греющих трубок к нагреваемой воде рассчитываем в следующей последовательности.

Задаемся предварительным значением температуры греющей стенки

(15)

Тогда средняя температура пограничного слоя нагреваемой воды tm определяется как:

(16)

Теплофизические свойства нагреваемой воды при температуре t2 и tm находятся аналогичным образом, как для греющей воды (см. п. 5).

Критерий Грасгофа для нагреваемой воды можно подсчитать

(17)

где коэффициент температурного расширения воды.

Вычисляется по формуле:

, 1/град (18)

или находится интерполированием значений

Находим критерий Прандтля для нагреваемой воды при температуре

(19)

или величину можно найти интерполированием.

Находим коэффициент теплоотдачи от греющих трубок к нагреваемой воде

, Вт/м2 0С (20)

где вспомогательные коэффициенты С и n зависят от величины произведения (табл.1)

Таблица 1 - Определение вспомогательных коэффициентов С и n

Подсчитываем коэффициент теплопередачи К от греющей к нагреваемой воде

(21)

Проверяем принятую температуру стенки по формуле

(22)

Сравниваем полученное значение температуры стенки tст с принятой температурой стенки .

Если , то

считаем, что tcm и k – истинные значения температуры стенки и коэффициента теплопередачи.

Если , то

задаемся новым значением и делаем перерасчет коэффициента теплоотдачи и коэффициента теплопередачи k.

Поверхность нагрева аппарата F определяется выражением:

м2 (23)

где kF – удельная тепловая производительность, подсчитанная ранее по уравнению.

Определим количество греющих трубок n:

, штук (24)

Число n округляется до ближайшего целого числа, при этом возможен перерасчет с новым значением скорости для округленного значения n. Если W выбрана с учетом формулы, то перерасчет не требуется.

Общая длина трубок L:

, м (25)

Определяем полезную емкость аппарата

, м3 (26)

Выбор номера водонагревателя аккумулятора и размеров корпуса аппарата производится по таблице 2 из серийных (типовых) конструкций

если Vn £ 3,5 м3

Таблица 2 - Выбор водонагревателя – аккумулятора

При полезной емкости VП > 3,5 определяем геометрическую емкость аппарата по формуле

м3 (27)

Если геометрическая емкость водонагревателя-аккумулятора больше 4,62 м2, то внутренний диаметр аппарата ориентировочно можно вычислить по формуле

, м (28)

и принять Двн, округлив результат до ближайшего десятка сантиметров.

Тогда высота аппарата с учетом эллипсности днищ определяется как

(29)

Определяем число ходов для трубок

(30)

и округляем до ближайшего целого четного значения. При этом длина одного хода греющей трубки

(31)

не должна превышать 0,9 Двн .

4 Изменение производительности водонагревателя-аккумулятора и температур теплоносителей

во времени

Температура нагреваемой воды подсчитывается по формуле:

0C (32)

Конечная температура греющей воды находится следующим образом:

0C (33)

Тепловая мощность, отдаваемая греющим теплоносителем в момент времени t1:

, кВт (34)

Результаты расчета температуры нагреваемой воды, конечной температуры греющей воды и тепловой мощности по формулам (33-35) сведем в таблицу 3.

Таблица 3 - Результаты расчета параметров

По данным табл. 3 строим график зависимостей

, и (рис. 4)

т

е

м

п

е

р

а

т

у

р

а

время нагрева, , 0C кВт(производительность)

Рисунок 4 – Изменение параметров теплоносителя в Бойлере - аккумуляторе.

5. Определение оптимальной скорости греющей

воды в водонагревателе – аккумуляторе

Для определения мощности электродвигателя насоса находим гидравлическое сопротивление при движении греющего теплоносителя (Dр)

Н/м2 (35)

Здесь коэффициент трения в трубах определяется для ламинарного решения течения () как

, (36)

и если , то как

, (37)

Суммарный коэффициент местных сопротивлений

(38)

где (при повороте потока на 1800)

Мощность электродвигателя насоса находится по формуле

(39)

Расход электроэнергии на перекачку греющей воды

(40)

Начальная стоимость теплообменника

, тенге (41)

Здесь КF = СF × F, тенге

ЦK = GK × CM, тенге

Массу корпуса аппарата Gк можно приблизительно определить по формуле

(42)

и необходимо округлить до ближайшего десятка килограммов.

Определяем ежегодные эксплуатационные расходы

, (43)

Сравнение принятых вариантов проводим по ежегодным приведенным затратам

(44)

Результаты расчетов для выбора оптимальной скорости греющей воды заносим в таблицу 4.

По данным табл. 4 для каждой выбранной поверхности нагрева строим график зависимости ежегодных приведенных затрат от скорости воды в трубах (рис. 4)

Таблица 4 – Таблица вариантов

Затраты З, тенге/год

Скорость греющей воды w1, м/с

Рисунок 5 - Оптимизация конструкции водонагревателя-аккумулятора.

По минимальным приведенным затратам выбираем оптимальную скорость воды wопт и окончательный вариант конструкции водонагревательного-аккумулятора.

список литературы

Основная литература

1  Промышленная теплоэнергетика и теплотехника: Справочник / Под общ. ред. и – М.: Энергоатомиздат, 1999 г.– 588 с

2 Промышленные тепломассобменные процессы и установки. / Под общ. ред. – М.: Энергоатомиздат 1986 г. – 328 с

3  , , Удыма , монтаж и эксплуатация тепломассообменных установок – М.: Энергоиздат, 1981 г. – 366 с

4  Лебедев , сушильные и холодильные установки – М.: Энергия, 1972 г., 320 с

Дополнительная литература

5  , Щукин установки промышленных предприятий (курсовое проектирование) – М.: Энергия, 1970 г. – 480 с

6  Справочник по теплообменникам – М.: Энергоатомиздат, 1987 г. – т.1. – 561 с, т.2 – 352 с

7  Основные процессы и аппараты химической технологии. Пособие по проектированию / Под ред. – М.: Химия, 1991г. – 496 с

8  Андреев тепло - и массообмена в контактных аппаратах –Л.: Энергоатомиздат, 1985 г. – 192 с

9  , Романков и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии – М.: Химия, 1987 г.– 575 с