Оптимизация конструкции парового калорифера

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

По дисциплине

Оптимизация теплоэнергетических установок

На тему

Оптимизация конструкции парового калорифера

1 КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ПАРОВОГО КАЛОРИФЕРА ИЗ ГЛАДКИХ ТРУБ

Согласно ГОСТ 7201-70 для систем воздушного охлаждения, вентиляции и кондиционирования воздуха и сушильных установок предусмотрена единая номенклатура гладких латунных калориферов. Гладкие латунные одиночные калориферы различаются по виду используемого теплоносителя (паровые и водяные), по присоединительным размерам и степени предполагаемого нагрева воздуха. Рассмотрим паровой калорифер.

Обогреваемые паром калориферы имеют сварную неразъемную конструкцию и состоят из следующих элементов:

— теплообменной поверхности из пучка гладких труб;

— входного распределительного и выходного сборного коллекторов, образованных трубной решеткой и крышкой;

— двух патрубков, отводящего и подводящего теплоноситель;

— двух боковых съемных щитков с передним и задним фланцами для подсоединения теплообменника к смежным секциям или воздуховодам.

Схема калорифера показана на рисунке 1.

1 — трубный пучок; 2 — коллектор; 3 — патрубок; 4 — боковой щиток

Рисунок 1 — Устройство парового калорифера

По движению теплоносителя калориферы выполняются одно- или многоходовыми, для чего под крышками последних устанавливаются перегородки. Рассматриваемый мной калорифер одноходовой, поэтому под крышками перегородки отсутствуют. В паровых калориферах расположение трубок всегда вертикальное. Трубные решетки изготовляются из тонколистовой стали толщиной 3…16 мм, а боковые стенки корпуса из тонколистовой стали толщиной 2 мм.

Трубы в пучке располагаются относительно потока воздуха в шахматном порядке. Шахматная компоновка более компактна, чем коридорная, и отличается от последней повышенными значениями коэффициентов теплоотдачи и аэродинамического сопротивления пучка.

Рассчитанный мной калорифер изготовлен из труб диаметром 25/21 мм. В реальных условиях эксплуатации теплоаэродинамические характеристики калорифера могут изменяться в худшую сторону по следующим причинам:

— плохое качество изготовления;

— погрешность в методике подбора типа, номера и модели калорифера;

— коррозия и загрязнение поверхности теплообмена;

— неравномерность полей скоростей и температур по фронту пучка;

— влияние схемы подключения калориферов по воде.

Рассчитанный паровой калорифер включает в свой состав конденсатоотводчик. Охлаждающий воздух подается в теплообменные секции вентилятора, установленного на оси двигателя. Чаще в данных аппаратах применяются вентиляторы диаметром 0,8; 2,8; 5,0; и 7,0 м с числом лопастей от 3 до 8.

2 СОСТАВЛЕНИЕ АЛГОРИТМА КОНСТРУКТИВНОГО РАСЧЁТА

Расчет парового калорифера из гладких труб в соответствии с исходными данными производим по программе, составленной в среде Microsoft Excel. На рисунке 2 представлен алгоритм программы.

Рисунок 2 — Алгоритм программы расчеты калорифера

2.1 Внешние параметры

Температура воздуха на входе — t₂, ⁰C;

Температура воздуха на выходе — t₂, ⁰C;

Давление греющего водяного пара — Р₁, МПа;

Расход воздуха — V₂, м³/ч;

Наружный диаметр труб — d_н, мм;

Толщина стенки труб — _ст, мм;

Теплопроводность латуни — _л, Вт/(м²К);

Плотность латуни — _л, кг/м³;

Годовое число часов использования аппарата — _и, ч;

Стоимость электроэнергии — С_э.э., руб./(кВтч);

Стоимость латунных труб — С_л, руб./кг;

Коэффициент загрязнения поверхности теплообмена — _з;

Коэффициент удержания теплоты изоляцией — ;

КПД привода вентилятора- _пр.;

КПД электродвигателя — _э.д.;

Доля амортизационных отчислений — a;

Доля отчислений на ремонт — b;

Доля отчислений инвесторам за кредиты — c.

2.2 Теплофизические свойства теплоносителей

По следующим зависимостям определяем теплофизические свойства теплоносителей.

Для греющего теплоносителя:

Температура насыщения водяного пара, С:

Плотность пара, кг/м³:

.

Энтальпия греющего насыщенного пара, кДж/(кгК):

.

Энтальпия конденсата пара, кДж/(кгК):

.

Для нагреваемого теплоносителя:

Средняя температура воздуха, ⁰C:

Плотность воздуха, кг/м³:

Средняя теплоемкость воздуха, кДж/(кгК):

при 50<= < 70 значений С_р =1,005;

при 70<= <= 90 значений С_р =1,009.

Коэффициент кинематической вязкости воздуха, м²/с:

Коэффициент теплопроводности воздуха, Вт/(мК):

Критерий Прандтля воздуха:

.

Плотность воздуха на входе, кг/м³ :

Плотность воздуха на выходе, кг/м³ :

2.3 Недостающие параметры

Тепловая нагрузка теплообменного аппарата, кВт:

Расход греющего теплоносителя, кг/с:

Средний логарифмический температурный напор, С:

2.4 Оптимизируемые параметры

Число рядов по ходу воздуха — z, шт.;

Число труб в одном ряду — n, шт.;

Поперечный шаг — S₁, мм;

Диагональный шаг — S’₂, мм.

2.5 Тепловой и компоновочный расчет теплообменного аппарата

Задаёмся длиной теплообменной трубки, м:

Ширина пучка, м

Общее число труб в теплообменнике, шт

если z — чётное, то ;

если z — нечётное, то .

Продольный шаг, мм

Внутренний диаметр теплообменной трубки, мм:

Площадь входного сечения трубок, м²

Скорость пара в трубках, м/с

Коэффициент теплоотдачи со стороны греющего теплоносителя, Вт/(м²•К)

Площадь сжатого сечения пучка, м²

Скорость движения нагреваемого теплоносителя в трубках, м/с

Число Рейнольдса для нагреваемого теплоносителя

Поправка на число рядов

Поправка на компоновку

если , то ;

если , то .

Число Нуссельта для нагреваемого теплоносителя при

Принимаем, что

Тогда

Коэффициент теплоотдачи со стороны нагреваемого теплоносителя, Вт/(м²•К)

Расчетный коэффициент теплопередачи, Вт/(м²К):

Расчетная поверхность теплообмена, м²:

Активная длина труб, м:

2.6 Гидравлический расчет теплообменного аппарата

Коэффициент формы

Число Эйлера при поперечном обтекании гладкотрубных пучков

если ,

если ,

Потери давления при прокачке нагреваемого теплоносителя, Па:

Скорость потока на входе, м/с:

Скорость потока на выходе, м/с

Потери давления на ускорение или торможение потока, Па

Потери давления на прокачку нагреваемого теплоносителя, Па

2.7 Технико-экономический расчет теплообменного аппарата

Затраты электрической мощности на прокачку нагреваемого теплоносителя, кВ

Масса трубного пучка, кг

Капитальные затраты, тыс. руб.

Годовые эксплуатационные издержки, тыс. руб.

Расчетные годовые затраты, тыс. руб.

калорифер теплоноситель расчет паровой

3 ОПТИМИЗАЦИЯ КОНСТРУКЦИИ УСТАНОВКИ

Таким образом, в итоге расчета получаем приведенные затраты (З). Целью расчета является получение минимальных приведенных затрат в год. Для этого используем функцию Microsoft Excel “Поиск решения”, целевой ячейкой являются приведенные затраты (З), изменяемыми ячейками являются: число труб в одном ряду (n), число рядов по ходу воздуха (z), поперечный шаг (S₁), диагональный шаг (S’2). Накладываемые ограничения:

1. n — целое и n — больше или равно 2;

2. z — целое и z — больше или равно 1;

3. Re₂ =10³…2*10⁵;

4. S₁— целое;

5. S’2- целое;

6. ;

7. ;

8. .

Результаты расчета парового калорифера по программе, согласно исходным данным, приведены в таблице 1.

Таблица 1 — Результаты расчета программы, составленной в MS Excel

По результатам расчета получили, что минимальные приведенные затраты в год З = 157,101 тыс. руб., при изменяемых геометрических параметрах

n=112 шт., S₁=41 мм, S’2=29 мм, z = 5 шт

4 ПРОВЕРКА УСТОЙЧИВОСТИ ПОЛУЧЕННОГО РЕШЕНИЯ

Проведем проверку устойчивости полученного решения оптимизационной задачи для каждого из оптимизируемых параметров. Результаты расчетов приведены в табл. 2, 3, 4 и 5, на рис. 3, 4, 5 и 6.

Таблица 2 — Проверка устойчивости решения при изменении поперечного шага труб

Рисунок 3 — Проверка устойчивости решения при изменении поперечного шага труб

На основании табл. 2 и рис. 3 видно, что при изменении поперечного шага труб в большую и меньшую сторону, относительно величины, полученной в результате решения оптимизационной задачи, происходит увеличение расчетных годовых затрат. Таким образом, можно сделать окончательный вывод, что при S1 = 41 мм наблюдается минимальная величина расчетных годовых затрат.

Таблица 3 — Проверка устойчивости решения при изменении диагонального шага

Рисунок 4 — Проверка устойчивости решения при изменении диагонального шага

На основании табл. 3 и рис. 4 видно, что при изменении диагонального шага в большую и меньшую сторону, относительно величины, полученной в результате решения оптимизационной задачи, происходит увеличение расчетных годовых затрат. Таким образом, можно сделать окончательный вывод, что при S’2 = 29 мм наблюдается минимальная величина расчетных годовых затрат.

Таблица 4 — Проверка устойчивости решения при изменении числа рядов по ходу воздуха

Рисунок 5 — Проверка устойчивости решения при изменении числа рядов по ходу воздуха

На основании табл. 4 и рис. 5 видно, что при изменении числа рядов по ходу воздуха в большую и меньшую сторону, относительно величины, полученной в результате решения оптимизационной задачи, происходит увеличение расчетных годовых затрат. При этом, уменьшение числа рядов по ходу воздуха до z = 3 и увеличение до z = 7 приводит к нарушению ограничения, накладываемого на конструктивность . Таким образом, можно сделать окончательный вывод, что при z = 5 шт. наблюдается минимальная величина расчетных годовых затрат.

Таблица 5 — Проверка устойчивости решения при изменении числа труб в одном ряду

Рисунок 6 — Проверка устойчивости решения при изменении числа труб в одном ряду

На основании табл. 5 и рис. 6 видно, что при изменении числа труб в одном ряду в большую сторону, относительно величины, полученной в результате решения оптимизационной задачи, происходит уменьшение расчетных годовых затрат. Увеличение и уменьшение числа труб в одном ряду до n = 89 и n = 135 приводит к нарушению ограничения, накладываемого на конструктивность аппарата — . Таким образом, можно сделать окончательный вывод, что при n = 112 шт. наблюдается минимальная величина расчетных годовых затрат.

5 ПРИМЕР КОНСТРУКТИВНОГО РАСЧЁТА

5.1 Теплофизические свойства теплоносителей

Средняя температура воздуха, ⁰C

⁰C

При помощи таблицы 9 [2] по средней температуре нагреваемого теплоносителя определяются его теплофизические свойства

Средняя теплоемкость воздуха — С_р2=1,009 кДж/(кгК);

Плотность воздуха — ₂=1,022 кг/м³;

Коэффициент кинематической вязкости воздуха — ₂=20,29*10^-6 м²/с;

Коэффициент теплопроводности воздуха — ₂=0,0298 Вт/(мК);

Критерий Прандтля воздуха — Pr₂=0,695;

Плотность воздуха на входе — ?’=1,045 кг/м³;

Плотность воздуха на выходе — ?»=1 кг/м³;

При помощи таблицы 12 [2] по давлению насыщения пара определяются его теплофизические свойства:

Температура насыщения водяного пара — t_н1=120,23С;

Энтальпия греющего насыщенного пара — h_п1 =2706,5 кДж/(кгК);

Плотность пара — ₁=1,13 кг/м³;

Энтальпия конденсата пара — h_к1 =503,7 кДж/(кгК).

5.2 Недостающие параметры

Тепловая нагрузка теплообменного аппарата, кВт:

кВт

Расход греющего теплоносителя, кг/с

кг/с

Средний температурный напор, С

С

5.3 Тепловой и компоновочный расчет теплообменного аппарата

Принимаем наружный диаметр трубок d_н=25 мм, задаем толщину стенки труб =2 мм, поперечный шаг S₁=41 мм, диагональный шаг S’2=29 мм, число труб в одном ряду n=112, число рядов по ходу воздуха z=5.

Задаёмся длиной теплообменной трубки, м

Ширина пучка, м

м

Общее число труб в теплообменнике, шт

т.к. z — нечётное, то

шт

Продольный шаг, мм

мм

Внутренний диаметр теплообменной трубки, мм

;

мм

Площадь входного сечения трубок, м²

м²

Скорость пара в трубках, м/с

м/с

Коэффициент теплоотдачи со стороны греющего теплоносителя, Вт/(м²•К)

Вт/(м²•К)

Площадь сжатого сечения пучка, м²

м²

Скорость движения нагреваемого теплоносителя в трубках, м/с

м/с

Число Рейнольдса для нагреваемого теплоносителя

Поправка на число рядов

Поправка на компоновку

т.к. , то

Число Нуссельта для нагреваемого теплоносителя при

Принимаем, что

Тогда

Коэффициент теплоотдачи со стороны нагреваемого теплоносителя, Вт/(м²•К)

Вт/(м²•К)

Расчетный коэффициент теплопередачи, Вт/(м²К)

Вт/(м²К)

Расчетная поверхность теплообмена, м²

м²

Активная длина труб, м

м

5.4 Гидравлический расчет теплообменного аппарата

Коэффициент формы

Число Эйлера при поперечном обтекании гладкотрубных пучков

т.к. , то

Потери давления при прокачке нагреваемого теплоносителя, Па

Па

Скорость потока на входе, м/с

м/с

Скорость потока на выходе, м/с

м/с

Потери давления на ускорение или торможение потока, Па

Па

Потери давления на прокачку нагреваемого теплоносителя, Па

Па

5.5 Технико-экономический расчет теплообменного аппарата

Затраты электрической мощности на прокачку нагреваемого теплоносителя, кВт

кВт

Масса трубного пучка, кг

кг

Капитальные затраты, тыс. руб.

тыс. руб

Годовые эксплуатационные издержки, тыс. руб.

тыс. руб

Расчетные годовые затраты, тыс. руб

тыс. руб

По результатам расчета вручную видно, что полученные значения отличаются меньше чем на 1% от значений, полученных по программе MS Excel. Это связано с тем, что расчеты, проводимые в программе в среде Microsoft Excel, выполняются с достаточно высокой точностью (до 32 значащих цифр). Таким образом, считаем, что расчет по программе и вручную считаются верными.

6 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Рощин С. П. Методические указания к курсовой работе по дисциплине «Оптимизация теплоэнергетического оборудования». АГТУ, 2007 — 25 с. с илл.

2. Краснощеков Е. А. и Сукомел А. С. Задачник по теплопередаче. Изд. 4-е перераб. и доп. М.,. Энергия, 1980.— 287 с. с илл.