Курсовой проект по тепломассообмену для ТулГУ, пример оформления

Курсовая работа по дисциплине «Тепломассообмен» Цель: «Расчет и проектирование вакуумного деаэратора» ОГЛАВЛЕНИЕ Введение 5 Расчет и проектирование вакуумного деаэратора — Исходные данные. (таблица А) 6 1. Тепловой баланс вакуумного деаэратора 7 2. Тепловой и гидравлический расчет струйного отсека 10 3. Расчет перепускной тарелки 15 4. Расчет процесса дегазации воды 17 5. Гидравлический расчет барботажного устройства 24 Вывод 26 Библиографический список 27 ВВЕДЕНИЕ Целью курсового проекта « Расчет и проектирование вакуумного деаэратора» является закрепление теоретического материала по основным вопросам дисциплины « Теплоиспользующие установки промышленных предприятий», а также получение навыков самостоятельной работы в области проектирования теплоиспользующих установок. Деаэрационные установки располагаются на различных предприятиях теплоэнергетики и являются последней ступенью удаления из воды растворенных в ней коррозионно-активных газов (кислорода и диоксида углерода). После деаэраторов содержание в воде коррозионно-активных газов не должно превышать определенных стандартами величин. В расчетно-графической работе предусматривается проектирование струйно-барботажного вакуумного деаэратора вертикального типа. Вакуумные деаэраторы вертикального типа имеют единичную производительность от 5 до 300 м3/ч и распространены преимущественно в котельных различного назначения. На ТЭЦ и в крупных котельных применяются горизонтальные вакуумные деаэраторы производительностью от 400 до 1200 м3/ч. Вертикальные вакуумные деаэраторы отличаются относительной простотой конструкции и могут быть изготовлены непосредственно на том предприятии, где планируется их установка, поэтому для инженера-теплоэнергетика очень важно уметь грамотно подобрать, рассчитать, установить деаэратор и правильно его эксплуатировать.   РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ ВАКУУМНОГО ДЕАЭРАТОРА. Исходные данные Таблица А Номер варианта 9 Теплоисточник ЦТП Назначение деаэратора ГВС Греющий агент (среда) вода Номинальное абсолютное давление в деаэраторе рд, кгс/см2 0,24 Номинальная производительность Gпр, т/ч 25 Температура деаэрированной воды tдв, °С 62 Содержание О2 в исходной воде , мг/кг 4,0 То же в деаэрированной воде , мг/кг 0,05 Содержание свободного СО2 в исходной воде мг/кг 20,0 То же в деаэрированной воде мг/кг 0 Расход исходной воды Gив, т/ч 17 Температура воды перед деаэратором tив, °С 23 Температура греющей среды tп, °С 69 ЦТП – центральный тепловой пункт; ГВС – деаэрация воды, поступающей на горячее водоснабжение.   1. ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ВАКУУМНОГО ДЕАЭРАТОРА Тепловой баланс деаэрационной установки составляется для определения полного расхода пара, подводимого к деаэратору. В зависимости от тепловой схемы энергоустановки в деаэратор вводится то или иное количество потоков воды и пара. В общем виде уравнение теплового баланса деаэратора записывается как равенство потоков теплоты, введенных в деаэратор и вышедших из него Q1+Q2+Q3+Q4=Q5+Q6+Q7 где Q1 – теплота, внесенная с основным потоком греющего пара; Q2 – теплота, внесенная с некипщими потоками воды; Q3 – теплота, внесенная с кипящими потоками воды; Q4 – теплота, внесенная с прочими потоками пара; Q5 – теплота, отведенная с деаэрированной водой; Q6 – теплота выпара; Q7 – теплопотери деаэратора в окружающую среду. Если в соответствии с заданием какие-либо из указанных выше потоков теплоты не поступают в деаэрационную установку и не отводятся из нее, то при составлении теплового баланса их не учитывают. Составляющие теплового баланса определяются по следующим формулам. Теплота, подведенная с химически умягченной водой, Гкал/ч. для 30% нагрузки. для 100% нагрузки. для 120% нагрузки. Количество выпара Gвып, т/ч, принимается из расчета 3÷5 кг на 1 т деаэрированной воды Gвып=(3÷5)Gпр для 30% нагрузки. для 100% нагрузки. для 120% нагрузки. Энтальпия паровоздушной смеси выпара условно может быть принята равной энтальпии насыщенного пара при давлении в деаэраторе, т. е. iвып = is=626 ккал/кг при рд=0,22 кг/см2. Отведено теплоты с выпаром Qвып, Гкал/ч. для 30% нагрузки. для 100% нагрузки. для 120% нагрузки. Энтальпия деаэрированной воды iдв ккал/кг определяется по температуре деаэрированной воды и давлению в деаэраторе, согласно [4]. iдв=61,97 ккал/кг Отведено теплоты с деаэрированной водой Qд.в, Гкал/ч. для 30% нагрузки. для 100% нагрузки. для 120% нагрузки. Количество теплоты, необходимое для нагрева воды в деаэраторе ΔQд, Гкал/ч. для 30% нагрузки. для 100% нагрузки. для 120% нагрузки. Расход теплоты на деаэратор ΣQ, Гкал/ч. для 30% нагрузки. для 100% нагрузки. для 120% нагрузки. Энтальпия насыщенного пара при давлении в деаэраторе iп, ккал/кг, согласно [4]. iп=636,4 ккал/кг. Расход насыщенного пара на деаэратор Gп, т/ч. для 30% нагрузки. для 100% нагрузки. для 120% нагрузки. 2. ТЕПЛОВОЙ И ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ СТРУЙНОГО ОТСЕКА В объем теплового расчета струйного отсека входит определение температуры на тарелках и расхода пара в отсеке. Тепловой расчет начинается с выбора геометрических параметров пучка струй. Под геометрическими характеристиками пучка струй понимается длина струй, их начальный диаметр и шаг (диаметр и шаг отверстий на тарелке). Тепловой расчет струйного отсека производится при одновременном выполнении конструктивной схемы этого отсека, включая разметку отверстий на тарелке, что связано с необходимостью определения средней скорости пара в пучке струй (отсеке). Пример схемы струйного отсека приведен на рис. 3. Рис. 3. Схема струйного отсека В задачи гидродинамического расчета входят определение гидравлических характеристик и проверка гидродинамической устойчивости струйного отсека при различных режимах работы. Гидравлически устойчивым называется такой режим работы струйного отсека, при котором не появляется местной рециркуляции воды под воздействием потока пара. Нарушение гидродинамической устойчивости может быть вызвано недопустимо высокими скоростями пара в отдельных сечениях деаэрационной колонки. Диаметр отверстий do на тарелках по условиям развития поверхности струй и эксплуатационным условиям следует принимать равным 5÷8 мм, (принимаем – 6 мм.) Шаг отверстий на тарелке должен приниматься равным не менее 18÷20 мм при расположении их в вершинах равностороннего треугольника [2К], (принимаем – 18 мм) Длина струй L принимается равной расстоянию между нижней плоскостью вышерасположенной тарелки и видимым (динамическим) уровнем воды hдин на нижележащей тарелке того же отсека. При производительности деаэрационной установки до 400 т/ч длину струй L рекомендуется принимать равной 350÷500 мм (принимаем 500 мм), а для более крупных деаэрационных установок целесообразно увеличивать ее до 800÷900 мм с целью ограничить скорость пара и предотвратить таким путем унос капельной влаги [2]. Температура воды на верхней тарелке tив=45°С. Расстояние между тарелками (высота отсека Н) равно Н=L+hдин Динамический уровень воды на тарелке определяется суммой гидростатического уровня воды hгс и перепада давлений по паровой стороне между смежными отсеками Δр hдин=hгс +Δр Величины hгс и Δр определяются в ходе гидродинамического расчета отсека. Скорость воды wо, м/с, на выходе из отверстия тарелки определяется по формуле где a1 – коэффициент, учитывающий влияние движения воды по тарелке на коэффициент расхода; μo – коэффициент расхода для перфорированного листа; hгс – гидростатический уровень воды, м. При диаметре отверстий 5÷8 мм и толщине днища тарелок 4÷6 мм коэффициент μo принимается равным 0,75. Коэффициент a1 для практических расчетов можно принимать равным 0,9 [2]. Для определения скорости wо предварительно задаются величиной hгс, которая для равномерного распределения воды по всем отверстиям тарелки при номинальной гидравлической нагрузке должна находиться в пределах 60÷80 мм (принимаем 60 мм) для 30% нагрузки. для 100% нагрузки. для 120% нагрузки. Число отверстий на тарелке N при номинальном режиме определяется предварительно по формуле где Gв – полный расход химически умягченной воды через данную тарелку, т/ч; vв = 0,001099 м3/кг – удельный объем воды при температуре ее на тарелке; a2 – коэффициент запаса на загрязнение перфорации тарелки (a2 = 1,0÷1,1), (принимаем 1); do = 0,006 м – диаметр отверстий на тарелке. Верхняя тарелка секционирована с таким расчетом, что при минимальной (30 %-ной) нагрузке работает только часть отверстий во внутреннем секторе примерно 0,3N. При увеличении нагрузки в работу включаются остальные отверстия. для 30% нагрузки. для 100% нагрузки. для 120% нагрузки. Гидростатический уровень воды hгс, м, при заданных расходах, числе и диаметрах отверстий на тарелке определяется по формуле для 30% нагрузки. для 100% нагрузки. для 120% нагрузки. Для определения действительной средней скорости пара в струйном пучке рекомендуется пользоваться методом последовательных приближений. В первом варианте расчета струйного отсека деаэратора значение wп ориентировочно принимается равным 0,5÷1,0 м/с. После выбора по указанным выше рекомендациям значений L и do определяют температуру воды tвых в конце струйного потока по формуле Для 30% нагрузки деаэратора: где ts=61,74°С – температура насыщения при давлении в деаэраторе; wп=0,20 м/с – принимаем предварительно; А1=0,118 – коэффициент, зависящий от давления в деаэраторе и от температуры исходной воды, определяется по номограмме (рис. 4.). Рис. 4. Зависимость коэффициентов А1 и В1 от абсолютного давления и температуры исходной воды Количество пара, сконденсировавшегося в струйном отсеке, при найденной величине подогрева воды в них: где iвых =49,53 ккал/кг – удельная энтальпия воды при температуре tвых. Для уточнения принятой средней скорости пара в струйном пучке сначала подсчитываются скорости пара wвх и wвых соответственно на входе в пучок струй и на выходе из него где Ωвх, Ωвых – живые сечения для прохода пара на входе в пучок струй и на выходе из него, ρп=0,140 кг/м3 – плотность пара в деаэраторе. Величины Ωвх и Ωвых определяются по формулам где D1=0,6-(0,018·2)=0,564 м, D2=0,450 м – диаметры условной окружности по наружному и внутреннему диаметрам пучка, м (см. рис. 3.); n1=98 шт, n2=78 шт – число отверстий, вынесенных соответственно на условную окружность диаметром D1 и D2. Значения величины внутреннего диаметра пучка D2 содержится в табл. В или [3, табл. 4]. Значения величин D1, n1, n2 выбираются из геометрических соображений. Средняя скорость пара в струйном отсеке при wвх/wвых < 1,25 подсчитывается по формуле Средняя скорость пара в струйном отсеке при wвх/wвых > 1,25 подсчитывается по формуле wвх/wвых = 0,193/0,095=2,03 > 1,25 Полученная средняя скорость пара в первом отсеке сопоставляется с принятой в начале расчета. В случае, если расхождение между ними превышает 0,1 м/с, расчет повторяется при новом исходном значении скорости. Для 100% нагрузки деаэратора:.. Для 120% нагрузки деаэратора:.. 3. РАСЧЕТ ПЕРЕПУСКНОЙ ТАРЕЛКИ Целью расчета является определение геометрических характеристик перепускной тарелки и скорости пара в горловине тарелки. Высота борта тарелки Нб, мм, и максимальный уровень воды на тарелке hmaх, мм, принимаются на основании предварительных расчетов равными соответственно 200 мм и 70 мм [2]. Допустимое значение скорости пара в горловине тарелки , м/с, определяется по формуле где ζ – коэффициент сопротивления горловины тарелки изменяется в пределах 3,5÷4,0. Диаметр горловины для прохода пара Dгор=0,32 м, принимается по табл. В, а площадь горловины для прохода пара Fгор, м2, вычисляется по формуле Расход пара в горловине тарелки , м/с, вычисляется по формуле для 30% нагрузки. для 100% нагрузки. для 120% нагрузки. Скорость пара в горловине тарелки , м/с, определяется по формуле где vп=7,1262 м3/кг – удельный объем пара при давлении в деаэраторе р=0,22 кгс/см2 для 30% нагрузки. для 100% нагрузки. для 120% нагрузки. Площадь отверстия для слива воды с перепускной тарелки при максимальном уровне воды Fп.т, м2, вычисляется по уравнению где μр – коэффициент расхода для перепускной тарелки, принимается равным 0,55. ρв=990,2 кг/м3 – удельная плотность воды при t=45°С. Центральный угол выреза в перепускной тарелке αу=15 принимается по табл. В. Фактический уровень воды на перепускной тарелке , м, вычисляется по формуле где (R2 – r2) = 0,097 м2– разность квадратов наружного и внутреннего диаметров перепускной тарелки, м2, принимается по табл. В. для 30% нагрузки. для 100% нагрузки. для 120% нагрузки.   4. РАСЧЕТ ПРОЦЕССА ДЕГАЗАЦИИ ВОДЫ Расчет процесса дегазации воды основан на определении коэффициентов десорбции О2 и СО2 и вычислении необходимой площади барботажного листа для удаления этих газов из воды до значений, требуемых по заданию. Расчет концентраций кислорода и свободного диоксида углерода , мг/кг, на верхней тарелке производится с помощью эмпирических формул где — содержание О2 в исходной воде; рд = 0,22 кгс/см2 – давление в деаэраторе; tн.п = 61,74 °С – температура насыщения при давлении в деаэраторе. где — содержание СО2 в исходной воде. В отсеках вакуумных деаэраторов с поперечным омыванием пучка струй концентрация кислорода , мг/кг, в конце струйного потока вычисляется по формуле где В1 = 0,0318 – эмпирический коэффициент, зависит от температуры исходной воды и давления в деаэраторе, определяется по номограмме (рис. 4.). Концентрация свободного диоксида углерода , мг/кг, в конце струйного потока вычисляется по формуле где tвх, tвых – температуры воды в начале и в конце струйного потока, °С; Е = 0,044– коэффициент, зависящий от давления в деаэраторе и температуры исходной воды, определяется по номограмме (рис. 5.). Рис. 5. Зависимость коэффициента Е от абсолютного давления в деаэраторе и температуры исходной воды для 30% нагрузки. для 100% нагрузки. для 120% нагрузки. Далее производится расчет процесса дегазации на барботажном листе. Исследование непровальных барботажных листов показало, что процесс дегазации воды происходит за счет двух факторов: увлечения газовых пузырьков потоком пара и турбулентной диффузии. Интенсивность потока жидкости на барботажном листе J, м3/(м·ч), вычисляется по формуле J=Vв/a где Vв – объемный расход воды на входе в барботажное устройство, м3/ч; а – длина переливного порога, м. Расход воды на входе в барботажное устройство представляет собой сумму расходов исходной воды и пара, сконденсировавшегося в струйном отсеке где плотность воды на входе в барботажное устройство; ρв = 988,24 кг/м3 при 30% нагрузке деаэратора, ρв = 986,56 кг/м3 при 100% нагрузке деаэратора, ρв = 986,09 кг/м3 при 120% нагрузке деаэратора; Величина а = 0,32 м, — длина переливного порога, определяется по приложению, табл. В. для 30% нагрузки. для 100% нагрузки. для 120% нагрузки. Скорость течения жидкости по барботажному листу wв, м/ч, определяется по формуле для 30% нагрузки. для 100% нагрузки. для 120% нагрузки. где hдин – высота динамического слоя жидкости, который остался бы на барботажном листе после разрушения двухфазного потока, м. Одной из основных характеристик, определяющих эффект дегазации на непровальном барботажном листе, является динамический напор водяного пара в рабочем сечении барботажного листа , кгс/см2. Увеличение эффекта дегазации происходит до определенных значений динамического напора потока водяного пара. Оптимальными значениями, используемыми для расчетов, можно считать: для кислорода = 95·10–3 кгс/см2, для диоксида углерода 115·10–3 кгс/см2 [2]. В общем случае величина определяется по графикам в зависимости от отношения концентраций газа на входе и на выходе с барботажного листа [2]. В диапазоне изменения от 15·10–3 до 150·10–3 кгс/см2 (принимаем ) высоту динамического слоя жидкости рекомендуется определять по формуле для 30% нагрузки. для 100% нагрузки. для 120% нагрузки. где h0 – высота слоя жидкости на листе при отсутствии барботажа, м. для 30% нагрузки. для 100% нагрузки. для 120% нагрузки. где hп.п – высота переливного порога, принимается равной 0,1 м. Для определения коэффициентов десорбции ( массопередачи) кислорода и диоксида углерода в [2] рекомендуются следующие формулы: для 30% нагрузки. для 100% нагрузки. для 120% нагрузки. для 30% нагрузки. для 100% нагрузки. для 120% нагрузки. где dо – ширина щели или диаметр отверстий на барботажном листе, рекомендуется принимать для щелей 0,03÷0,05 см, для отверстий 0,05÷0,08 см; σ – коэффициент поверхностного натяжения системы вода-пар, принимается равным 0,07 кгс/см. Средний концентрационный напор газа на барботажном листе ΔСср, мг/кг, определяется по формуле где Сн, Ск – концентрации О2 или СО2 в воде при входе и при выходе с барботажного листа, мг/кг; Сн.р, Ск.р – концентрации удаляемого газа в жидкости, равновесные с начальной и конечной концентрацией газа на барботажном листе, мг/кг. Так как расход пара, покидающего барботажный лист, значительно превосходит расход выделившихся газов, то величины Сн.р и Ск.р оказываются равными практически нулю и в расчетах ими можно пренебречь. В расчетах конечную концентрацию диоксида углерода на барботажном листе принять равной 0,01 мг/кг. для 30% нагрузки. для 100% нагрузки. для 120% нагрузки. Необходимая площадь барботажного листа для удаляемого газа находится из уравнения массопередачи где Gг – количество удаляемого газа, кг/ч; K – коэффициент массопередачи для соответствующего газа, м/ч; ΔСср – средний концентрационный напор газа на барботажном листе, кг/м3; ρв =983,2 кг/м3 средняя плотность воды на барботажном листе, при t = 60 °С; F – площадь барботажного листа, м2. Количество удаляемого газа можно определить исходя из расхода воды на входе в барботажное устройство (Gи.в+G’п), т/ч, и разности начальной Сн и конечной Ск, мг/кг, концентраций этого газа на барботажном листе Количество удаляемого кислорода; для 30% нагрузки. для 100% нагрузки. для 120% нагрузки. Количество удаляемого диоксида углерода; для 30% нагрузки. для 100% нагрузки. для 120% нагрузки. Необходимая площадь барботажного листа для удаляемого кислорода: для 30% нагрузки. для 100% нагрузки. для 120% нагрузки. Необходимая площадь барботажного листа для удаляемого диоксида углерода: для 30% нагрузки. для 100% нагрузки. для 120% нагрузки. Фактическое значение рабочей площади барботажного листа Fр, м2, не должно быть меньше наибольшего из необходимых значений для О2 и СО2, а также должно выбираться исходя из конструктивных соображений, т. е. учитывать принятый диаметр барботажного листа, размер сектора для удаления воды, диаметр перепускных труб и т. д.). 5. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ БАРБОТАЖНОГО УСТРОЙСТВА В ходе гидравлического расчета барботажного устройства определяются скорости пара и воды в отверстиях барботажного листа. С этой целью сначала определяется необходимая площадь отверстий на барботажном листе Fo, м2, по формуле… Фактическая площадь отверстий на барботажном листе , м2, определяется по табл. В. Далее определяется минимально допустимая скорость пара wmin, м/с, в отверстиях барботажного листа Расход пара через барботажный лист Gб.л, т/ч, представляет собой разность между расходами пара, подводимого к барботажному устройству и отводимого в перепускные трубы. Расход пара Gпер, т/ч, отводимого в пароперепускные трубы, определяется как разность расхода пара в горловине перепускной тарелки и расхода пара, идущего собственно на барботаж Скорости пара в отверстиях барботажного листа wл и в перепускных трубах wпер, м/с, определяются по соответствующим формулам.. Скорость пара в отверстиях барботажного листа не должна быть меньше минимально допустимой скорости пара. Гидравлическим расчетом барботажного устройства завершается расчет основных рабочих параметров вакуумного деаэратора.   ВЫВОД Деаэраторы вертикального типа могут обеспечивать глубокое удаление растворенных газов из воды. На качество дегазации существенное влияние оказывают: 1) Нагрузка деаэратора; С увеличением нагрузки качество дегазации падает (сказывается недостаток расхода пара на барботаж). Диапазон режимов, в которых достигается высокий уровень дегазации, сравнительно невелик. Эффект удаления О2 достигается в основном при нагрузках деаэратора не более 30÷40% номинальной. 2) Температура и расход перегретой воды; Ухудшение дегазации происходит из-за снижения общего температурного уровня процесса при одновременном снижении расхода греющего агента и температуры исходной воды. Так же ухудшение дегазации происходит при одновременном повышении расхода и температуры греющего агента, что можно объяснить снижением интенсивности испарения перегретой воды и появлением некоторой перегрузки испарительного отсека. В то же время при фиксированных величинах расхода и температуры исходной воды, и нагрева в деаэраторе по мере увеличения температуры перегретой воды и соответственного снижения ее расхода содержание растворенного кислорода в деаэрированной воде снижается. 3) Присосы воздуха; Присосы воздуха приводят к серьезным нарушениям работы деаэратора (снижение интенсивности испарительного процесса вследствие ухудшения вакуума в деаэраторе) Эффективность вакуумных деаэраторов вертикального типа может быть существенно повышена путем совершенствования конструкции в следующих направлениях: ● Увеличение сепарирующей способности испарительного отсека (увеличение объема отсека и установки в нем устройств, способствующих сепарации). ● Развитие струйной ступени дегазации. ● оптимизации конструкции барботажного листа.   Библиографический список 1. ГОСТ 16860–88*. Деаэраторы термические. Типы, основные параметры, приемка, методы контроля. – М. : Изд-во стандартов, 1989. – 6 с. 2. Расчет и проектирование термических деаэраторов: РТМ 108.030.21–78 / В. А. Пермяков, А. С. Гиммельберг, Г. М. Виханский, Ю. М. Шубников. – Л. : НПО ЦКТИ, 1979. – 130 с. 3. Оликер И. И. Вакуумные деаэраторы для питательной и подпиточной воды / И. И. Оликер, В. А. Пермяков. – М.: ИИинформтяжмаш, 1971. – 96 с. 4. Ривкин С. Л. Теплофизические свойства воды и водяного пара / С. Л. Ривкин, А. А. Александров. – М.: Энергия, 1980. – 423 с. 5. Деаэраторы вакуумные: каталог-справочник. – М.: НИИинформтяжмаш, 1972. – 77 с. 6. Соколов Е. Я. Теплофикация и тепловые сети: учебник для вузов / Е. Я. Соколов. 7-е изд., перераб. – М.: Издательство МЭИ, 2001. – 472 с. 7. Шарапов В. И. Термические деаэраторы / В. И. Шарапов, Д. В. Цюра. – Ульяновск : УлГТУ, 2003. – 560 с. 8. Немцев З.Ф., Шарапов В.И., Тимошенко А.М. Вакуумные деаэраторы теплоэнергетических установок / Саратовский университет, 1983. – 127 с.