Schimbator de caldura abur apa - Aparate Termice

UTCB

Facultatea de Instalatii

Proiect Aparate Termice

Schimbator de caldura abur- apa

Condensator

Solutia Constructiva si tema de proiect

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

Traseul celor 2 agenti termici se va alege de catre proiectant astfel:

• La exteriorul tevilor se gaseste aburul ;
• La interiorul tevilor va circul apa ;

La traseul de abur trebuie avute in vedere doua proprietati importante ale fenomenului 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 vitezei lui de curgere;

Coeficientul de transfer de caldura in condensare este puternic influentat de prezenta gazelor necondensabile care se acumuleaza la partea de sus a condensatorului si deci trebuie eliminate permanent prin robinetul de dezaerisire.

Condensatoarele se executa de regula cu tevile in pozitie orizontala deoarece condensarea pe suprafete orizontale nu ridica probleme complicate de evacuare a stratului de condens care apare la suprafetele verticale.

Solutia constructiva:

schimbator de caldura condensator;

agent primar-abur saturat

agent secundar -apa

cu mai multe treceri, orizontal

Solutia Constructiva si tema de proiect

Solutia constructiva:

schimbator de caldura condensator;

agent primar-abur saturat

agent secundar -apa

cu mai multe treceri, orizontal

Tema de proiectare

N = 11

unde :

Q_u - sarcina termica utila ( debitul de caldura nominal) (kW);

p_s - presiunea aburului ( saturat) la intrare (bar);

- temperatura agentului termic secundar la intrare;

- temperatura agentului termic secundar la iesire.

Calculul preliminar al schimbatorului de caldura - condensator

Ecuatia de bilant termic:

unde

η_iz = randamentul izolatiei schimbatorului de caldura

D = debitul masic de abur = debitul de condens ce iese din schimbator [kg/s];

r = caldura latenta de vaporizare la presiunea de saturatie p_s [J/kg];

c_p2 = caldura specifica a agentului termic secundar (apa), la temperatura medie a acestuia kJ/kgK]

G₂ = debitul masic de agent termic secundar (apa) [kg/s];

k = coeficientul global de transfer de caldura al schimbatorului in (W/m²K);

S = suprafata utila de transfer de caldura a schimbatorului in [m²];

Δt_m= diferenta medie logaritmica de temperatura intre agentii termici [K].

Prima egalitate:

r se alege din Anexa 4 in functie de presiunea de saturatie p_s, a aburului

aleg    η_iz =99,0 % = 0,990.

Astfel :

A doua egalitate:

aleg c_p2 = 4,183 kJ/kgK

Astfel :

A treia egalitate:

aleg k^' = 1500 W/m²K;

trebuie sa calculez diferenta medie logaritmica de temperatura:

t_s se alege din Anexa 4 in functie de presiunea de saturatie p_s, a aburului:

de unde rezulta ca :

Astfel:

Calculul de predimensionare a condensatorului

unde :

l = lungimea tevii [m];

d_m = diametrul mediu al tevii [m];

= numarul total preliminar de tevi.

aleg : Φ = 25x2 mm astfel ca d_e = 25 mm si

aleg : l = 3m.

 

Ecuatia de continuitate a curgerii:

pentru aflarea lui _2m trebuie sa aflam t_2m, temperatura medie a agentului termic secundar ( apa) :

pentru t > 80⁰C:

aleg

Astfel

unde:

= numarul preliminar de tevi pe o trecere, a schimbatorului de caldura

Numarul preliminar de treceri ale schimbatorului de caldura este dat de relatia:

Din tabelul 5.1 alegem :

v     n_tot = 30 - numarul total de tevi

v     n_1tr = 15- numarul de tevi pe o trecere

Numarul de tevi pe diagonala (n_1d) = 7.

Se recalculeaza viteza w₂, ca sa aflam viteza reala :

Calculul diametrului interior al mantalei

Fie s - pasul de amplasare si k₀ jocul inelar ( distanta dintre marginea exterioara a tevii si marginea interioara a mantalei:

Stim ca :

d_e=0.025m

s = d_e +(0,0060,012)m = 0, 025+0,01= 0,035m=35mm

Astfel :

Din Anexa 12 - Stas 404/1-98 - aleg    D_em=273mm

Calculul termic exact

• Determinarea coeficientului global de transfer de caldura:

unde

α₁ = coeficient de convectie de la apa la teava;

= rezistenta termica convectiva;

α₂ = coeficient de transfer de caldura prin condensare;

= suma rezistentelor termica conductive a peretelui tevii si a depunerilor de piatra de la interiorul tevii.

a) Pentru determinarea lui

,

Calculam criteriul Re tinand seama ca lugimea caracterstica este diametrul interior al tevii

[-]

unde

w₂ = 0,6151m/s

l_c = lungimea caracteristica hidraulica = d_i = 0,02m(diametrul interior al tevilor) ;

= vascozitatea cinematica a agentului termic secundar la temperatura medie, care se afla din Anexa 5 - ;

Astfel:

Calculam pe Nusselt in functie de Reynolds, cu relatiile 5.17 - 5.19 .

,

unde : Prandtl (Pr) se scoate din Anexa 5, la fel ca si υ₂ si λ₂, in functie de temperatura medie a agentului termic secundar:

de unde rezulta ca Nusselt (Nu₂):

Astfel :

b) Pasul urmator consta in calcularea sumei rezistentelor termice conductive ale peretelui tevii si ale depunerilor de piatra de la interiorul tevilor:

unde : , conform tabelului 1.3 de la pagina 15, unde tipul de agent termic ales este apa tratata de alimentare a cazanelor.

c) Calcularea lui

se determina Nu₁ si pe λ_c.

Cum :

inlocuind pe acesta in formula lui , obtinem :

,

unde:

= conductibilitatea tehnica a peliculei de condens, ce se scoate din Anexa 5 in functie de temperatura de saturatie (t_s);

r_ab = caldura latenta de condensare = r

=vascozitatea cinematica a peliculei de condens la starea de saturatie.

Fie :

unde :

g =9,81m/s²;

;

;

.

Astfel :

prin calcularea acestei constante C₁, coeficientul de transfer de caldura la condensarea aburului poate fi scris si sub forma :

fie:

Din :

Notam : , astfel pentru aflarea lui ne folosim de metoda grafica, valoarea acestuia fiind locul de intersectie al celor doua ecuatii y₁ si y₂.

Astfel :

daca:

Astfel:

Din cauza modificarii valorii coeficientului global de transfer se modifica si lungimea schimbatorului de caldura.

• Determinarea lugimii condensatorului( a lungimii tevilor din fascicul)

Calculul de verificare al izolatiei condensatorului

unde:

Q_u = sarcina termica utila;

Q_tot = sarcina termica totala;

Q_p = suma pierderilor: invelis, manta, racorduri, capace.

Pentru simplificarea calculelor se vor calcula doar pierderile din manta si in functie de acestea se va calcula Q_p:

Fluxul termic pierdut prin manta:

Cum :

vom neglija primul termen din inegalitate;

vom neglija primul termen din inegalitate.

Tipul de izolatie ales este: saltele din vata minerala cu , pentru δ_iz vom alege valoarea minima si anume : .

Se determina α_e, avand:

convectie libera in gaz;

curgere peste cilindru orizontal;

spatiu mare;

schimbare de faza la racire.

unde : Gr = f(Δt_e), diferenta de temperatura pe care nu o cunoastem, astfel vom alege o valoare pentru aceasta diferenta, valoare care sa fie cuprinsa in intervalul .

Aleg : si conform relatiei criteriale de la pagina 147 il calculam pe .

Daca vrem sa verificam relatia de mai sus, nu facem altceva decat sa scriem ecuatia fluxului unitar:

Se compara : relatie incheiata.

Astfel:

Cum :

Astfel:

schimbatorul functioneaza bine.

Calculul hidraulic al schimbatorului de caldura

Pierderile de sarcina totale hidraulice se exprima prin formula :

= pierderi de sarcina liniare

= pierderi de sarcina locale

λ se determina in functie de valoarea lui Re folosind relatia   

l = lungimea pe care se realizeaza pierderea de sarcina hidraulica de tip liniar.

d = d_i=20 mm , este diametrul interior al tevi.

Tipurile de pierderi de sarcina locala pe care le gasim in schimbator sunt cele de la:

vana, robineti;

iesire din capac intrare in racord;

intrare in fascicul, iesire din capacul de intoarcere;

iesire din fasciculul de tevi intrare in capac

schimbare de directie (intoarcere in cot) la 180⁰.

unde :

w este viteza caracteristica in functie de accidentul hidraulic.

In cazul pierderilor de sarcina locale se va face un calcul tabelar:

w_r = viteza prin racord.

Se alege la inceput o viteza si cu aceasta valoare se calculeaza diametrul interior al racordului cu ajutorul formulei:

Recalculam viteza:

Calculul unghiului θ pentru asezarea in Ginabat

Calculul diametrului interior -racord abur

unde:

D = debit de abur = 0,132 kg/s;

v_ab se alege intre - viteza aburului;

v^''= volumul specific al aburului , care se scoate din Anexa 4 in functie de presiunea de saturatie a aburului:

D_rabur = diametrul interior al racordului de abur:

Se recalculeaza viteza in functie de diametrul interior al racordului de abur provenit din Stas:

Calculul diametrului interior - racord condens

unde:

D = debit de condens=debit de abur = 0,132 kg/s;

ρ_cond = densitatea condensului la temperatura de saturatie = 969,85 kg/m³;

v_cond = viteza de curgere a condensului care se alege in intervalul

= diametrul interior al racordului de condens: