Расчет подогревателя топлива

Введение

Развитие судовых энергетических установок, увеличение их мощности, надежности и долговечности обуславливает создание надежных, эффективных, простых в изготовлении и эксплуатации судовых теплообменных аппаратов, являющихся неотьемлимой частью энергетических установок.

Судовые охладители и подогреватели жидкостей представляют собой устройства, в которых происходит передача тепла от одной среды (теплоотдающей) к другой (тепловоспринимающей).

По характеру обмена теплом судовые охладители и подогреватели являются в основном теплообменными аппаратами поверхностного типа, когда передача тепла от теплоотдающей среды к тепловоспринимающей происходит через разделяющую их поверхность, а по принципу работы – рекуперативными (передача тепла происходит при одновременном протекании теплообменивающихся сред).

По назначению судовые охладители и подогреватели жидкостей можно подразделить на энергетические, вспомогательные и бытовые. Аппараты первой группы применяются в системах охлаждения воды и масла главных двигателей, для подогрева питательной воды в конденсатно-питательных системах и подогрева топлива перед форсунками паровых котлов. Аппараты второй группы используются в судовых системах и вспомогательных установках для охлаждения или подогрева воды или вязких жидкостей. В системах кондиционирования воздуха, отопления судовых помещений и санитарно-бытовых системах применяются аппараты третьей группы.

Несмотря на то что судовые охладители и подогреватели жидкостей различаются по назначению, роду теплоносителей и конструкции, можно сформулировать общие требования, которые необходимо учитывать при их проектировании. Основные эксплуатационные требования – это надежность аппаратов в течение заданного срока и простота обслуживания в судовых условиях.

В данной работе перед студентом поставлена задача – рассчитать несколько видов судовых теплообменных аппаратов с техническими характеристиками, указанными в задании. Так же небоходимо провести сравнение полученных параметров аппаратов с параметрами аппаратов из каталога фирм-производителей.

Целью данной работы является ознакомление студента с методиками конструирования теплообменных аппаратов.

Расчет подогревателя топлива

Исходные данные

Количество подогреваемой вязкой жидкости: Gж =5000 кг/ч

Температура вязкой жидкости на входе в подогреватель: t_ж1=20^оС

Давление греющего пара: p₁=11 10⁵Па

Температура вязкой жидкости на выходе из подогревателя: t_ж2 =90^оС

Марка жидкости: мазут топочный 40

Описание объекта

Для паровых котлов судовых энергетических установок в качестве топлива применяют мазуты различных марок. Для правильного распыливания и сжигания жидкого топлива в форсунках котлов необходимо, чтобы его вязкость была достаточно мала, что может быть получено только в результате нагрева мазутов в поверхностных теплообменных аппаратов до определенной температуры. Греющая среда, как правило – водяной пар. Высокие температуры греющего пара, приводящие к значительным термическим напряжениям в материалах, требования по исключению попадания топлива в греющий пар, возможность коксования топлива и в связи с этим затруднительная очистка поверхностей нагрева определили следующие судовые конструкции кожухотрубных подогревателей топлива:

Секционные, с U-образными трубками, с прямыми трубками, закрепленными в неподвижных трубных досках, с прямыми трубками и плавающей трубной доской, змеевиковые. Из перечисленных конструкций наиболее широко применяются секционные подогреватели топлива и с U-образными трубками, для производительности по топливу более 1000 кГ/час. Конструкция подогревателей топлива с U-образными трубками по сравнению с другими конструкциями имеет значительные преимущества. Отсутствуют вторая трубная доска и вторая крышка, что уменьшает вес и габариты подогревателя, а так же трудоемкость изготовления. Вдвое уменьшается количество вальцовочных соединений трубок с трубной доской, в результате чего увеличивается надежность работы подогревателя (нарушение плотности вальцовки трубок в трубных досках – наиболее распространенных дефект при эксплуатации). U-образные трубки свободно удлиняются под действием температуры, в связи с чем вальцовочные соединения разгружаются от температурных напряжений. Недостаток подогревателей топлива с U-образными трубками являются невозможность очистки внутренней поверхности трубки механическим путем, а так же трудность замены вышедшей из строя трубки.

Схема подогревателя с U-образными трубками представлена в приложении 1.

Расчёт охладителя масла

Исходные данные

Расход масла – G_м=10000

Температура масла на входе в аппарат – t_м1=55°С

Температура масла на выходе из аппарата – t_м2=35°С

Марка масла – турбинное Т-46

Температура охлаждающей воды на входе – t_в3=20°С

Описание объекта

В судовых энергетических установках, вспомогательных механизмах и системах для смазки трущихся поверхностей механизмов, охлаждения приборов и в качестве рабочего тела в гидравлических системах широко применяются минеральные масла различных марок. Во всех случаях масло участвует в отводе тепла от работающих механизмов.

Для получения требуемых физических параметров, нагретое масло необходимо охлаждать до соответствующей температуры. Охлаждение масла производится в поверхностных теплообменных аппаратах — маслоохладителях.

В судовых условиях для охлаждения масла, как правило, используется забортная вода. Особенности физико-химических свойствмасел (высокая вязкость, низкая теплопроводность и теплоемкость), а также жесткие требования в отношении их высокой чистоты определили конструкции маслоохладителей и требования,предъявляемые к ним при изготовлении и эксплуатации. Вследствие высокой вязкости масла невозможно создать турбулентныйрежим движения, поэтому теплопередача в маслоохладителях происходит при ламинарном режиме течения масла, когда полностью отсутствует турбулизирующее действие естественной конвекции.В связи с этим для интенсификации теплопередачи в маслоохладителях стремятся улучшить перемешивание масла при прохожденииего через теплообменник, используя перегородки или турбулизаторы. При этом улучшение теплоотдачи сопровождается увеличением гидравлического сопротивления.В маслоохладителях с теплообменной поверхностью, состоящейиз гладких круглых трубок, охлаждаемое масло выгоднее направлять в межтрубное пространство с обтеканием трубок поперечным потоком.

Особенность конструкции маслоохладителя с подвижной доской с сальниковым уплотнением заключается в следующем: одна трубная доска жесткокрепится к фланцу корпуса, а другая трубная доска размещаетсявнутри корпуса и имеет сальниковое уплотнение, состоящее изрезиновых колец распорного кольца инажимного фланца.Маслоохладители с сальниковым уплотнением могут успешно применяться при высоких термических напряжениях, возникающих отразности температур корпуса и трубок и вследствие различных коэффициентов линейного расширения материала. В этом случае подвижная трубная доска скользит в сальнике, что дает хорошую компенсацию. У аппаратов такой конструкции при изготовлении прощеобеспечить чистоту межтрубной полости, так как сборка трубногопучка производится вне корпуса аппарата. Это позволяет производить обдувку или промывку трубок в процессе их комплектования.

Схема кожухотрубного маслоохладителя с прямыми трубками, развальцованными в трубных досках, одна из которых подвижная с сальниковым уплотнением, представлена в приложении 2.

Результаты расчёта

Принятая схема охладителя: кожухотрубный маслоохладитель с прямыми трубками , развальцованными в трубных досках, одна из которых подвижная с сальниковым уплотнением.

Выбираются параметры:

- число ходов по воде z_в=1

-число ходов по маслу z_м=10

- шаг труб равен: S=d_н+4=10+4=14 мм

Средняя температура масла равна:

Параметры масла при 45°С:

- плотность ρ_м=879

- удельная теплоёмкость с_м=1938,45

Повышение температуры охлаждающей воды выбирается из промежутка:

∆t_в=3…5=5°С

Температура охлаждающей воды на выходе из маслоохладителя:

t₄=t₃+∆t_в=20+5=25°С

Средняя логарифмическая разность температур масла и воды:

Теплоемкость воды:

Расход охлаждающей воды:

Скорость воды в трубах принимается из промежутка:

Коэффициент в=1400+22·t_в=1400+22·22.5=1895

Коэффициент теплоотдачи от внутренней поверхности трубки к воде:

Скорость масла принимается из промежутка:

Коэффициент теплоотдачи от масла к трубкам:

Коэффициент теплоотдачи от масла к воде:

Поверхность охлаждения:

.

Заключение

Судовые охладители или подогреватели жидкости являются довольно сложными механизмами, имеющими свои нюансы, как в разработке, так и в эксплуатации. Перед проектировщиком ставится довольно сложная задача по оптимизации параметров и созданию наиболее сбалансированной конструкции, соответствующей целому ряду требований, таких как компактные размеры, надёжность, высокая производительность, обоснованная цена, удобство эксплуатации.

Данная работа служит примером того, насколько углублённая разработка требуется для проектировки теплообменного аппарата. Без должного подхода к созданию аппарата можно получить на выходе не самую лучшую по своим параметрам конструкцию, не способную конкурировать на рынке с аналогами, имеющими лучшие потребительские свойства.

Введение

Развитие судовых энергетических установок, увеличение их мощности, надежности и долговечности обуславливает создание надежных, эффективных, простых в изготовлении и эксплуатации судовых теплообменных аппаратов, являющихся неотьемлимой частью энергетических установок.

Судовые охладители и подогреватели жидкостей представляют собой устройства, в которых происходит передача тепла от одной среды (теплоотдающей) к другой (тепловоспринимающей).

По характеру обмена теплом судовые охладители и подогреватели являются в основном теплообменными аппаратами поверхностного типа, когда передача тепла от теплоотдающей среды к тепловоспринимающей происходит через разделяющую их поверхность, а по принципу работы – рекуперативными (передача тепла происходит при одновременном протекании теплообменивающихся сред).

По назначению судовые охладители и подогреватели жидкостей можно подразделить на энергетические, вспомогательные и бытовые. Аппараты первой группы применяются в системах охлаждения воды и масла главных двигателей, для подогрева питательной воды в конденсатно-питательных системах и подогрева топлива перед форсунками паровых котлов. Аппараты второй группы используются в судовых системах и вспомогательных установках для охлаждения или подогрева воды или вязких жидкостей. В системах кондиционирования воздуха, отопления судовых помещений и санитарно-бытовых системах применяются аппараты третьей группы.

Несмотря на то что судовые охладители и подогреватели жидкостей различаются по назначению, роду теплоносителей и конструкции, можно сформулировать общие требования, которые необходимо учитывать при их проектировании. Основные эксплуатационные требования – это надежность аппаратов в течение заданного срока и простота обслуживания в судовых условиях.

В данной работе перед студентом поставлена задача – рассчитать несколько видов судовых теплообменных аппаратов с техническими характеристиками, указанными в задании. Так же небоходимо провести сравнение полученных параметров аппаратов с параметрами аппаратов из каталога фирм-производителей.

Целью данной работы является ознакомление студента с методиками конструирования теплообменных аппаратов.

Расчет подогревателя топлива

Исходные данные

Количество подогреваемой вязкой жидкости: Gж =5000 кг/ч

Температура вязкой жидкости на входе в подогреватель: t_ж1=20^оС

Давление греющего пара: p₁=11 10⁵Па

Температура вязкой жидкости на выходе из подогревателя: t_ж2 =90^оС

Марка жидкости: мазут топочный 40

Описание объекта

Для паровых котлов судовых энергетических установок в качестве топлива применяют мазуты различных марок. Для правильного распыливания и сжигания жидкого топлива в форсунках котлов необходимо, чтобы его вязкость была достаточно мала, что может быть получено только в результате нагрева мазутов в поверхностных теплообменных аппаратов до определенной температуры. Греющая среда, как правило – водяной пар. Высокие температуры греющего пара, приводящие к значительным термическим напряжениям в материалах, требования по исключению попадания топлива в греющий пар, возможность коксования топлива и в связи с этим затруднительная очистка поверхностей нагрева определили следующие судовые конструкции кожухотрубных подогревателей топлива:

Секционные, с U-образными трубками, с прямыми трубками, закрепленными в неподвижных трубных досках, с прямыми трубками и плавающей трубной доской, змеевиковые. Из перечисленных конструкций наиболее широко применяются секционные подогреватели топлива и с U-образными трубками, для производительности по топливу более 1000 кГ/час. Конструкция подогревателей топлива с U-образными трубками по сравнению с другими конструкциями имеет значительные преимущества. Отсутствуют вторая трубная доска и вторая крышка, что уменьшает вес и габариты подогревателя, а так же трудоемкость изготовления. Вдвое уменьшается количество вальцовочных соединений трубок с трубной доской, в результате чего увеличивается надежность работы подогревателя (нарушение плотности вальцовки трубок в трубных досках – наиболее распространенных дефект при эксплуатации). U-образные трубки свободно удлиняются под действием температуры, в связи с чем вальцовочные соединения разгружаются от температурных напряжений. Недостаток подогревателей топлива с U-образными трубками являются невозможность очистки внутренней поверхности трубки механическим путем, а так же трудность замены вышедшей из строя трубки.

Схема подогревателя с U-образными трубками представлена в приложении 1.