SCHIMBATOARE DE CALDURA

 

SCHIMBATOARE DE CALDURA

 

Solutia constructiva

Schimbatoarele de caldura condensatoare se folosesc pentru a incalzi un agent termic secundar (in cazul de fata - apa) pe baza caldurii latente de condensare a unui agent termic primar (in cazul de fata abur saturat). Schimbatorul de caldura este de tip multitubular, cu fascicul de tevi prins intre placi tubulare si de obicei cu mai multe treceri pe agentul secundar.

Traseul celor 2 agenti se alege de catre proiectant astfel: la exteriorul tevilor se gaseste aburul, iar la interior va circula apa. La traseul de abur trebuie avute in vedere 2 proprietati importante ale procesului de condensare:

coeficientul de transfer de caldura in condensare nu depinde de viteza aburului, deci nu este necesar sa se ia vreo masura pentru dirijarea traseului aburului sau pentru marirea viteei lui de curgere

coeficientul de transfer de caldura in condensare este puternic influentat de prezenta gazelor necondensabile care se acumuleazala partea de sus a condensatorului si deci trebuie evacuate permanent prin robinetul de dezaerisire

TEMA

N=4

Qu=366 kW

ps=3.9 bar

tm=105C

Calculul de predimensionare al schimbatorului

Aleg =99.65%

Din tabelul "Proprietati ale apei si ale aburului in stare de saturatie in functie de presiune prin interpolare, se calculeaza r:

La p_s=3.5 bar t=138.87C

r=2147.35 kJ/kg

La p_s=4 bar t=143.63C

r=2132.95 kJ/kg

è La p_s=3.9 r = 2135.83 kJ/kg

t_s=143.39C

D = Q_u η*r) = (366*100)/(99.65*2135.83)

D= 0.1719 kg/s

-pag. 1-

La t_m=105 è c_p=4.226 kJ/kgK

ρ=954 kg/m

Δt_I = t_s-t₂' = 143.39-90 = 53.39C

Δt_II = t_s-t₂" = 143.39-120 = 23.39C

Δt_m = (Δt_I- Δt_II)/ln(Δt_I /Δt_II) = 36.35C

Debitul masic al agentului termic secundar este:

G₂ = Q_u c_p2(t₂"-t₂') = 2.8868 kJ/kg

Aleg θ 20x2

L=3m

K=1350 W/m²K

d_m=18m

n'_tot = Q_u K*π*d_m*L* Δt_m)

n'_tot = 43.986

Aleg w₂'=1m/s è n_1tr' = G₂*4 ρ_2m* π*d_i²*w₂')

n_1tr' 15.057 tevi pe o trecere (preliminar)

n_tr' = n_tot'/n_1tr' = 2.92 è n_tr = 4 treceri

Folosind regula hexagoanelor è n_1tr = 19 tevi

n_tot tevi

Recalculez w₂ = G₂*4 ρ_2m* π*d_i²* n_1tr)

w₂ = 0.792 m/s

s = 20+10 = 30 mm

k₀ = 10 mm

D_im = (11-1)*30+20+2*10 = 340 mm

è    Aleg teava θ 356x8

-pag. 2-

Calculul termic exact

Se cunosc : - n_tot

n_1tr

n_tr

D_im

w₂

Sa se determine : K,L.

K=1 1/α1+Σδ/λ+1/α2)

La ts = 143.39C:

Re₂ = w₂d_i/ϑ₂ = 45096 > 10000

Nu₂ = 0.024Re₂^0.8 Pr₂^0.4 155.44

λ₂ = 0.68385 (prin interpolare)

α₂ = Nu₂λ₂/d_i = 6643.6 W/m²K

R_d = 18*10^-5 m²K/W

Σδ/λ = δ_ol/λ_ol + R_d = 0.00022

λ_ol = 50

λ_c = 0.6842 W/m²K

ρ_c = 920.028 kg/m³

r = 2135.83 kJ/kg

υ_c = 0.2054*10^-6 m²/s

c₁ = 0.652 (g* λ_c *ρ_c* r_ab) υ_c*d_e)^0.25 = 22828.97

c2 = Σδ/λ + 1/α2 = 0.00037052

Metoda injumatatirii intervalului : y = Δt_m - Δt₁ - c₁c₂Δt₁^0.75

y(Δt₁= 0) = 36.35-0-22828.97*0.00037*0 = 36.35

y(Δt₁= 36.35) = 36.35-36.35-22828.97*0.00037*36.35^0.75 = -125

y(Δt₁= 18.175) = 36.35-18.175-22828.97*0.00037*18.175^0.75 = -56.17

y(Δt₁= 9.08) = 36.35-9.08-22828.97*0.00037*9.08^0.75 = -16.91

-pag. 3-

y(Δt₁= 4.54) = 36.35-4.54-22828.97*0.00037*4.54^0.75 = 5.53

y(Δt₁= 6.81) = 36.35-6.81-22828.97*0.00037*6.81^0.75 = -6.06

y(Δt₁= 5.675) = 36.35-5.675-22828.97*0.00037*5.675^0.75 = -0.38

y(Δt₁= 5.1) = 36.35-5.1-22828.97*0.00037*5.1^0.75 = -3

è Δt₁= 5.1

K = 2253.96

L = Qu ntot*π*dm*K* Δt_m) = 1.03 è L=1.1 m

dm = (de+di)/2 = (20+16)/2 = 18 mm

Calculul de verificare a izolatiei schimbatorului

η_propus = 99.65%

η_sc = Q_u/Q_tot = (Q_tot-Q_p)/Q_tot = 1-Q_p/Q_tot

Pierderile de caldura prin izolatie se fac la nivelul : mantalei, capacelor, racordurilor, imbinarilor.

Se alege saltea de vata minerala δ_iz = 20 mm

λ_iz = 0.05 W/m²K

Aleg Δt'=25C

α_e' = 8.5+0.096*Δt' = 10.9 W/m²K

Din ecuatia de continuitate :

Q_m = K*S* Δt = (t_s-t_e)*L*(D_em+2* δ_iz)*π/ (δ_iz/ λ_iz+1/α_e)

è    Δt" = 143.39-15/10.9*(1/10.9+20/50) = 23.955C

| Δt' -Δt"| = 1.044 <3

è    Δt = 23.955C

α_e = 8.5+0.096*23.955 = 10.799 W/m²K

K_m = 1 δ_iz/ λ_iz+1/α_e) = 2.03 W/m²K

Q_m = K_m*L*(D_em+2 δ_iz)*π*(t_s-t_e) = 356.51 W

Q_p = 1.5*Q_m = 534.77 W

Q_tot = 365.08 W

η_sc = 1- Q_p/Q_tot = 1-Q_p/(D*r) = 1-534.77/(0.1719*2135.83*1000) = 0.9985% > η_propus

-pag. 4-

Calculul hidraulic al schimbatorului

Δp = Δp_λ + Δp_ζ

Δp_λ = λlρw²/2d

λ = 0.3164/Re^1/4 =0.02171 W/mK

l = L*n_tr = 1.1*4 = 4.4 m

d = d_i = 16*10^-3 m

ρ = ρ_2m = 954 kg/m³

w = w₂ = 0.792 m/s

è    Δp_λ = 1786.5 N/m²

Δp_{ζ =} ζρw²/2

1 - vana obisnuita

2 - intoarcere (180) dintr-o sectiune in alta printr-o curba..

3 - collector intrare / iesire (soc fara intoarcere)

4 - intoarcere in spatiul din interiorul tevilor si iesire din acesta

5 - intoarcere in spatiul din interiorul tevilor si iesire din acesta

∑Δp_ζ = ∑ ζρw²/2 = 3873.17 N/m²

Aleg w_r = 1m/s

D_r' = √4G₂/π ρ_2mw_r' = 0.062 = 62 mm è D_r^STAS = 55 mm = 0.055 m

è    w_r = 4G₂/D_r^STAS²*π* ρ_2m = 0.7847 m/s

Δp = 3873.17+1786.5 = 5659.67 N/m² = 0.566 mH₂O

-pag. 5-

Dimensionarea racordurilor

a)      dimensionarea racordului de abur

Aleg w_ab = 25 m/s

La saturatie : p_s = 3.9 bar è v" = 0.4738 m³/kg

D_{r ab} = 4*D*v"/(π*w_ab)) = √(4*0.1719*0.4738/(π*25)) = 0.0644 m

D_{r ab^STAS} = 65 mm

b)      dimensionarea racordului de condens

Aleg w_ab = 1 m/s

D_{r ab} = 4*D* /(π*w_ab*ρ_cond)) = √(4*0.1719/(π*1*920.028)) = 0.0154 m

D_{r ab^STAS} = 20 mm

-pag. 6-