Расчет воздухоподогревателя первой ступени

Аппарат предназначен для подогрева воздуха камеры горения реактора.

Исходные данные для расчета:

Расход углеродогазовой смеси V = 2608,8 м³ /ч;

Температура начальная t^’ ₂= 850 °С;

Предварительная температура =680°С.

Тепловая нагрузка аппарата рассчитывается согласно формуле:

Q = V·c_P·( t^’ –t^” ) = Q^’ – Q^” , (1)

где - V- объемный расход (часовой) УГС, м³/ч;

с_р - удельная объемная теплоемкость УГС, кДж/(кг*К);

Q',Q"- соответственно начальное и конечное тепло УГС, кДж/ч;

Q=2608.8·1.298·(850-680)=575657,8 МДж/ч

Q^” = (V_О.Г.·с_О.Г. + G_Т.У.·с_Т.У. + V_В.П.·с_В.П.) · t^”₂-Q, (2)

где -V_О.Г.- объемный расход (часовой) отходящего газа, м³/ч;

G_Т.У.- массовый расход(часовой) технического углерода, кг/ч;

V_B-П- объемный расход (часовой) водяного пара, м³/ч.

Q^” = (2668,8 · 1,447 + 2608,8 · 1,298 + 18722,4 · 1,704) · 850 – 575657,8 = 33319,47 МДж/ч

Расчет температурного режима.

Рисунок 1– Температурная схема потоков в воздухоподогревателе

Δt_б = 380 °С, Δt_м = 250 °С, тогда среднюю разность температур между холодным и горячим теплоносителями ( ), рассчитывают по формуле:

Средняя температура горячего газа (УГС)

°C.

Средняя температура холодного газа (ВСД):

t_ср.всд = t_cpyrc - t_cp (3)

t_cpвсд = 765 - 315 = 450 ⁰С

Физические параметры рабочих сред.

Воздух среднего давления:

Плотность ВСД при 450 °С (ρ_всд), рассчитывают по формуле:

(4)

где - M – молярная масса компонента, кг/кмоль;

Р – давление в аппарате, МПа;

Р₀ – давление при нормальных условиях.

Плотность смеси рассчитываем по формуле:

(5)

Динамическая вязкость среды:

(6)

Вязкость смеси находим по формуле:

(7)

где - - содержание i-го компонента в среде, об. дол. %;

- кинематическая вязкость i-го компонента, Па×с.

Кинематическая вязкость среды:

(8)

Коэффициент теплопроводности среды:

(9)

где - С_Р – удельная теплоемкость среды, кДж/(м³·К);

– динамическая вязкость среды, Па·с.

А=1,9 ; к=1,4.

Критерий Прандля:

(10)

где - - плотность среды, кг/м³,

- кинематическая вязкость среды, м/с²;

- удельная теплоемкость среды, кДж/(м³·К);

- коэффициент теплопроводности среды , Вт/м·К.

Углеродогазовая смесь:

T=765^оC =1038К.

Плотность УГС при 765 °С (ρ_угс), рассчитывают по формуле:

(11)

где - G_ОГ, G_ТУ, G_ВП - массовый расход соответственно отходящего газа, технического углерода и водяного пара, кг/ч.

V-объемный расход отходящего газа, технического углерода и водяного пара, м³/ч;

Р – давление в аппарате, МПа.

Динамическая вязкость среды находим по формуле:

Вязкость смеси находим по формуле:

Кинематическую вязкость среды находим согласно формуле

Коэффициент теплопроводности среды находим по формуле

Критерий Прандля рассчитываем по формуле

Определение ориентировочной поверхности теплообмена и подбор подогревателя воздуха.

Ориентировочный коэффициент теплопередачи:

К=20 Вт/(м² ·°С).

Ориентировочная поверхность теплообмена:

(12)

где - Q - тепловая нагрузка на подогреватель ,Вт;

К_ОР - ориентировочный коэффициент теплопередачи;

_Δtcp - средняя логарифмическая разность температур.

F = = 91,5м²

Выбираем подогреватель ПВ-200 со следующими характеристиками:
диаметр кожуха (внутренний ) D_K=1000 мм;
диаметр трубок d_ТР=42x4,5 мм;
количество трубок n_ТР=211 шт.;
средняя длина трубок 1_СР=3,952 м;
число ходов z = 1;
средний радиус изгиба R_СР =0,9 м;
Общая поверхность теплообмена: F=91,5 м².

Коэффициент теплопередачи

Коэффициент теплоотдачи от горячего газа (УГС) к стенке.

Объемный расход (секундный):

(13)

Скорость газовой смеси:

(14)

где - V_C – секундный расход, м³/с,

S – площадь поперечного сечения, м².

Критерий Рейнольдса:

(15)

где - w- скорость газовой смеси; м/с;

– определяющий размер;

- кинематическая вязкость среды, м/с².

Критерий Нуссельта:

(16)

Коэффициент теплоотдачи:

(17) где - – определяющий размер;

- коэффициент теплопроводности среды.

(18)

где - - поправочный коэффициент, учитывающий соотношение длины труб к их диаметру.

(19)

- поправочный коэффициент, учитывающий дополнительные факторы турбулизации при движении газа в изогнутыхтрубах.

Коэффициент теплоотдачи от стенки к холодному газу(ВСД)

Площадь поперечного сечения:

(20)

Определяющий размер:

(21)

Объемный расход (секундный) определяется по формуле:

Скорость газовой смеси определяется по формуле:

Критерий Рейнольдса определяется по формуле:

Критерий Нуссельта определяется по формуле:

Коэффициент теплоотдачи определяется по формуле:

Поперечное смывание трубного пучка.

Определяющий размер: d_тр=0,039 м.

Площадь поперечного сечения:

Критерий Нуссельта находим по формуле:

Коэффициент теплоотдачи по формуле:

Средний коэффициент теплоотдачи рассчитывают:

Коэффициент теплопередачи определяем по формуле: (22)

где a₂ – коэффициент теплоотдачи от стенки к ВСД, Вт/(м² К);

a₁ – коэффициент теплоотдачи от УГС к стенке, Вт/(м² К);

– суммарное термическое сопротивление трубок теплообменника, (м² К)/Вт.

Расчет поверхности теплообмена.

Расчетная поверхность теплообмена определяется по формуле:

Запас поверхности теплообмена составляет:

Температура стенки:

со стороны более горячего теплоносителя:

(23)

где - К – коэффициент теплопередачи, Вт/ (м² °С);

- коэффициент теплопроводности;

- средняя разность температур, ^оС.

со стороны более холодного теплоносителя:

(24)

где - К – коэффициент теплопередачи, Вт/(м² °С);

- коэффициент теплопроводности;

- средняя разность температур, ^оС.

К установке принимается подогреватель воздуха ПВ-200 со следующими характеристиками:

Диаметр трубок - 42x4,5 мм;

Количество трубок - 211 шт.;

Средняя длина трубок - 3,952 м;

Диаметр кожуха ( внутренний ) - 1000 мм;

Число ходов – 1;

Средний радиус изгиба - 0,9 м;

Материал:

кожуха - ст.12Х18Н10Т;

трубок - ст. 12X18Н10Т;

Количество - 1шт.