zadatak - fsb
TRANSCRIPT
ZADATAK
Potrebno je izraditi termodinamiÄki i hidrauliÄki te proraÄun ÄvrstoÄe izmjenjivaÄa topline ulje ā dimni plinovi, i zatim odabrati vrstu i klasu posude pod tlakom. IzmjenjivaÄ je postavljen vertikalno u prostoru, dimni plinovi struje kroz cijevi, a termiÄko je ulje usmjeravano pregradama oko cijevi.
Zadani parametri su:
PRIMAR ā dimni plinovi u cijevima:
ā ulazna temperatura dimnih plinova: C1000tDPul Ā°=
ā izlazna temperatura dimnih plinova: C350tDPiz Ā°=
ā tlak dimnih plinova: bar1pDP ā =
Dimni plinovi su produkt izgaranja metana CH4. Izgaranje je potpuno s faktorom pretiÄka uzduha 05.1=Ī» .
SEKUNDAR ā ulje oko cijevi:
ā ulazna temperatura ulja: C260tUul Ā°=
ā volumni protok ulja: h
m80V3
U ā =
ā radni pretlak ulja: bar10pU ā =
Fizikalna svojstva termiÄkog ulja Downtherm Q mogu se oÄitati u Prilogu 1.
Kapacitet izmjenjivaÄa: Q = 200 kW
IzmjenjivaÄ ULJE ā DIMNI PLINOVI 1
PRILOG 1 ā Fizikalna svojstva termiÄkog ulja DOWNTHERM Q
IzmjenjivaÄ ULJE ā DIMNI PLINOVI 2
IzmjenjivaÄ ULJE ā DIMNI PLINOVI 3
IzmjenjivaÄ ULJE ā DIMNI PLINOVI 3
IzmjenjivaÄ ULJE ā DIMNI PLINOVI 4
IzmjenjivaÄ ULJE ā DIMNI PLINOVI 5
1. TERMODINAMIÄKI PRORAÄUN IZMJENJIVAÄA
1.1. TermiÄko ulje
Izlazna temperatura ulja:
( ) ( )UulUizUUUUulUizUU ttcVttcmQ āā ā ā Ļ=āā ā =
UUUUul
UUUulUiz cV
Qtcm
Qttā ā Ļ
+=ā
+=
Pretpostavljena izlazna temperatura ulja: C265tUiz Ā°=
1.1.1. Fizikalna svojstva ulja pri ulaznoj temperaturi C260tUul Ā°=
3Uul mkg788 ā =Ļ gustoÄa
KkgJ2387cUul ā
ā = specifiÄni toplinski kapacitet
1.1.2. Fizikalna svojstva ulja pri pretpostavljenoj izlaznoj temperaturi
C265tUiz Ā°=
3Uiz mkg2.784 ā =Ļ gustoÄa
KkgJ5.2401cUiz ā
ā = specifiÄni toplinski kapacitet
1.1.3. Srednja gustoÄa i specifiÄni toplinski kapacitet ulja
3UizUul
U mkg1.786
22.784788
2ā =
+=
Ļ+Ļ=Ļ
KkgJ25.2394
25.24012387
2ccc UizUul
U ā ā =
+=
+=
1.1.4. Maseni protok ulja
skg4689.17
hkg62888
mkg1.786
hm80Vm 3
3
UUU ā =ā =ā ā ā =Ļā =
1.1.5. Stvarna temperatura ulja na izlazu iz izmjenjivaÄa
C265C8.26425.23944689.17
200000260cm
QttUU
UulUiz Ā°āĀ°=ā
+=ā
+=
IzmjenjivaÄ ULJE ā DIMNI PLINOVI 6
1.2. Dimni plinovi
TermiÄko ulje se grije dimnim plinovima koji su produkt izgaranja metana.
Kapacitet izmjenjivaÄa:
( ) ( )DPizDPulDPDPDPDpizDPulDPDP ttcVttcmQ āā ā ā Ļ=āā ā =
C1000tDPul Ā°= ā ulazna temperatura dimnih plinova
C350tDPiz Ā°= ā izlazna temperatura dimnih plinova
Da bi odredili specifiÄnu toplinu dimnih plinova najprije moramo odrediti sastav dimnih plinova koji nastaju kao produkt izgaranja metana. Pretpostavka je da je izgaranje potpuno (Ī±= 1), s pretiÄkom uzduha Ī» = 1.05.
1.2.1. Jednadžba izgaranja: Stehiometrijska jednadžba izgaranja metana:
CH4 + 2O2 CO2 +2H2O
Molna bilanca tvari:
1 kmol CH4 + 2 kmol O2 1 kmol CO2 + 2 kmol H2O
Ako se u molnu bilancu tvari uvrsti molna masa za pojedine tvari,
kmolkg16M
4CH ā =
kmolkg32M
2O ā =
kmolkg44M
2CO ā =
kmolkg18M OH2
ā =
dobiva se masena bilanca tvari:
16 kg CH4 + 2ā 32 kg O2 = 44 kg CO2 + 2ā 18 kg H2O /16
1 kg CH4 + 4 kg O2 = 2.75 kg CO2 + 2.25 kg H2O
IzmjenjivaÄ ULJE ā DIMNI PLINOVI 7
1.2.2. Minimalna koliÄina kisika potrebna za izgaranje
Minimalna koliÄina kisika za opÄenito zadani sastav plina raÄuna se prema izrazu:
( ) 2yx4242min OHC4yxHC3HC2HOC
21O ā²āā²ā ā
ā ā
āāā ++ā²ā +ā²ā +ā²+ā²ā = ā
ā„ā¦
ā¤ā¢ā£
ā”kmolGkmolO2
gdje su CO`, H2`, CH4`, CxHy`, O2` volumni udjeli pojedinih sudionika u mjeŔavini plinovitog goriva.
U sluÄaju izgaranja metana gorivo je Äisti metan, tako da je CH4` = 1 kmolCH4/ kmolG, a minimalna koliÄina kisika za izgaranje iznosi:
kmolGkmolO2
kmolGkmolCH1
kmolCHkmolO2HC2O 24
4
24min ā =ā ā ā =ā²ā =
Kisik potreban za izgaranje dovodi se atmosferskim uzduhom. Molni udio kisika u uzduhu:
kmolUkmolO21.0r 2
O2ā =
Minimalna potrebna koliÄina uzduha za izgaranje:
21.0OL min
min = ā„ā¦ā¤
ā¢ā£ā”kmolGkmolU
Stvarna koliÄina uzduha potrebna za izgaranje:
21.0OLL min
minstv ā Ī»=ā Ī»= ā„ā¦ā¤
ā¢ā£ā”kmolGkmolU
gdje Ī» predstavlja faktor pretiÄka uzduha. Ako je faktor pretiÄka uzduha manji od jedinice, izgaranje Äe se odvijati nepotpuno, a za Ī» > 1 pretiÄak uzduha je (Ī» - 1) ā Lmin
kmolGkmolU10
kmolUkmolO21.0
kmolG05.121.0
OL2
minstv ā =
ā ā =ā Ī»=
kmolO2 2ā
1.2.3. LožiŔte
Za izgaranje 1 kmol metana potrebno je dovesti Lstv kmol uzduha da bi dobili nvdp kmol dimnih plinova.
nvdp kmol VDP/kmol G 1 kmol CH4
Ī» ā Lmin uzduha LožiÅ”te
IzmjenjivaÄ ULJE ā DIMNI PLINOVI 8
1.2.4. Sastav suhih dimnih plinova
Pri potpunom izgaranju suhi dimni plinovi se sastoje iz CO2, O2 i N2, a pri nepotpunom takoÄer joÅ” iz CO, H2, CH4. U naÅ”em sluÄaju sastav suhih dimnih plinova može se izraziti jednadžbom
CO2 + O2 + N2 = 1,
gdje kemijski simboli oznaÄavaju volumenske udjele pojedinih sudionika u suhim dimnim plinovima
[ ]2CO
SDP
22 r
nCOCO == ā„ā¦
ā¤ā¢ā£
ā”kmolSDPkmolCO2
[ ]2O
SDP
22 r
nOO == ā„ā¦
ā¤ā¢ā£
ā”kmolSDPkmolO2
[ ]2N
SDP
22 r
nNN == ā„ā¦
ā¤ā¢ā£
ā”kmolSDPkmolN2
KoliÄina suhih dimnih plinova po jedinici koliÄine goriva raÄuna se po slijedeÄoj jednadžbi:
[ ] [ ] [ ]222SDP NOCOn ++= ā„ā¦ā¤
ā¢ā£ā”
kmolGkmolSDP
1.2.5. Bilanca duŔika
DuÅ”ik u ložiÅ”te dolazi sa uzduhom u koliÄini 0.79 Ī» Lmin.
[ ]22SDPmin NNnL79.0 =ā =ā Ī»ā
[ ]kmolGkmolN9.7
kmolGkmolU10
kmolUkmolN79.0L79.0N 22
stv2 ā =ā ā ā =ā =
1.2.6. Bilanca ugljika
nc = CO2 + CO + CH4 ā„ā¦ā¤
ā¢ā£ā”kmolSDP
kmolC
[ ]kmolG
kmolCO1CO 22 ā =
IzmjenjivaÄ ULJE ā DIMNI PLINOVI 9
1.2.7. Bilanca vodika
Bilanca vodika:
[ ]kmolG
kmolHHnOH VDP020 2
22 ā =ā =
1.2.8. Bilanca kisika
Onaj dio kisika koji nije potreban za proces oksidacije i koji izlazi kao samostalan sudionik suhih dimnih plinova dobiva se iz slijedeÄeg izraza:
( ) [ ]2min OO1 =ā āĪ»
[ ] ( )kmolGkmolO1.0205.0
kmolGkmolO2105,1O 22
2 ā =ā =ā ā ā=
1.2.9. KoliÄina suhih dimnih plinova
[ ] [ ] [ ]kmolG
kmolSDP99.71.01NOCOn 222SDP ā =++=++=
1.2.10. KoliÄina vlažnih dimnih plinova
[ ] [ ] [ ] [ ]kmolG
kmolVDP1129.71.010HNOCOn 2222VDP ā =+++=+++=
Kontrola:
Ulaz: 10 kmol uzduha + 1 kmol goriva (CH4) = 11 kmol
Izlaz: 1 kmol CO2 + 7.9 kmol N2 + 0.1 kmol O2 + 2 kmol H2O = 11 kmol
1.2.11. Volumenski udjeli pojedinih sudionika u vlažnim dimnim plinovima
[ ]kmolVDPkmolCO09091.0
111
nCOr 2
VDP
2CO2
ā ===
[ ]kmolVDPkmolN71818.0
119.7
nNr 2
VDP
2N2
ā ===
[ ]kmolVDPkmolO00909.0
111.0
nOr 2
VDP
2O2
ā ===
[ ]kmolVDP
OkmoH18182.0112
nOHr 2
VDP
2OH2
ā ===
IzmjenjivaÄ ULJE ā DIMNI PLINOVI 10
1.2.12. OdreÄivanje specifiÄne topline dimnih plinova
U tablici su prikazane srednje specifiÄne topline za svakog pojedinog sudionika dimnih plinova, kao i specifiÄne topline dimnih plinova u rasponu od 0 do 350 Ā°C i od 0 do 1000 Ā°C. Sve veliÄine su u kJ/kmol K.
plin ri [ ]350
0piC [ ]350
0pii Cr ā [ ]1000
0piC [ ]1000
0pii Cr ā
CO2 0.09091 42.5025 3.8639 49.392 4,4902
N2 0.71818 29.4920 21.1806 31.313 22,4884
O2 0.00909 30.6390 0.2785 33.118 0,3010
H2O 0.18182 34.8325 6,3332 38.619 7,0217
[ ]Kkmol
kJ6562.31Cr 3500pii ā
ā =ā Ī£ [ ]Kkmol
kJ3013.34Cr 10000pii ā
ā =ā Ī£
Tablica 1 ā Srednje specifiÄne topline dimnih plinova
Srednja specifiÄna toplina za interval od 350 do 1000Ā°C se dobiva iz slijedeÄeg izraza ā prema:
[ ] [[ ] ]3501000
3506562.3110003013.34tt
tCtCC
DPizDPul
DPiz0pDPul0p1000350p ā
ā āā =
ā
ā āā =
3501000
Kkmol
kJ7256.35ā
ā =
Prividna molna masa mjeŔavine:
OHOHOONNCOCOiiDP 22222222MrMrMrMrMrM ā +ā +ā +ā =ā Ī£=
= 0.090091 ā 44.01 + 0.71818 ā 28.02 + 0.00909 ā 32 + 0.18182 ā 18.032
= 27.6938 kmolkg
[ ][ ]
kgKkJ290.1
6938.277256.35
kmolkgM
kmolKkJC
kgKkJc
DP
1000350p
1000350p ā ==
ā„ā¦ā¤
ā¢ā£ā”ā
ā„ā¦ā¤
ā¢ā£ā”
=ā„ā¦
ā¤ā¢ā£
ā”
KkgJ1290cDP ā
ā =
IzmjenjivaÄ ULJE ā DIMNI PLINOVI 11
1.2.13. Maseni i volumni protok dimnih plinova
( ) ( )DPizDPulDPDPDPDpizDPulDPDP ttcVttcmQ āā ā ā Ļ=āā ā =
( ) ( ) hkg676.858
skg23852.0
350100029.1200
ttcQm
DPizDPulDPDP ā =ā =
āā =
āā =
Volumni protok dimnih plinova se može jednostavno izraÄunati iz izraza:
DP
DPDP
mVĻ
=
ali se prije toga mora odrediti srednja gustoÄa dimnih plinova.
GustoÄa se može odrediti tako da se koristi jednadžba idealnih plinova.
GustoÄa se raÄuna za srednju temperaturu dimnih plinova C675tDPsr Ā°=
K15.948TDPsr ā =
3
5
DPsrDP m
kg3513.015.948212.300
101TRp
ā =ā
ā =
ā =Ļ
KkgJ212.300
kmolkg6938.27
Kkmol
kmolkgM
KkmolRDP
ā ā =
ā
ā =ā
ā =
J8314J8314 ā ā
ProtoÄni volumen dimnih plinova:
sm679.0
hm281.2444
3513.0676.858mV
33
DP
DPDP ā =ā ==
Ļ=
IzmjenjivaÄ ULJE ā DIMNI PLINOVI 12
1.3. Prijelaz topline na strani primara (na strani dimnih plinova)
1.3.1. Fizikalna svojstva dimnih plinova
Fizikalna svojstva plinova su potrebna za odreÄivanje bezdimenzionalnih znaÄajki. RaÄunaju se za srednju temperaturu dimnih plinova:
C6752
35010002
ttt DPizDPulDPsr Ā°=
+=
+=
K15.94815.27367515.273tT DPsrDPsr ā =+=+=
SpecifiÄna toplina dimnih plinova:
KkgJ1290cDP ā
ā =
GustoÄa dimnih plinova:
3DP mkg3513.0 ā =Ļ
DinamiÄka žilavost dimnih plinova se može izraÄunati prema Sutherland-ovoj formuli:
DPsr
0
0
DPsr0DP
TC1
TT
T
+ā ā Ī·=Ī·
C1+
Za svakog sudionika dimnih plinova dinamiÄka žilavost se raÄuna posebno i tada se, uz množenje sa volumnim udjelima, zbrajaju. Rezultati su prikazani tabelarno [Tablica 2]:
plin ri T0
[Ā°C] Ī·0ā 108
[Paā s] C [K]
Ī·675ā 108
[Paā s] riā Ī·675ā 108
[Paā s]
CO2 0.09091 0 1366 274 3955.00 359.55
N2 0.71818 0 1665 103 3853.23 2767.31
O2 0.00909 0 1920 138 4700.30 42.73
H2O 0.18182 0 ā ā 3550.00 645.46
Ī·DPā 108 = āriā Ī·675ā 108 3815.05
Tablica 2 ā DinamiÄka žilavost dimnih plinova
sPa1005.3815 8DP ā ā ā =Ī· ā
IzmjenjivaÄ ULJE ā DIMNI PLINOVI 13
Koeficijent toplinske vodljivosti se takoÄer raÄuna prema Sutherland-ovoj formuli:
( )
DPsr
DPsrDPsrDP
TC1
TTE1D
+
ā ā +ā =Ī»
plin ri C [K]
106ā E [K-1]
106ā D [W/mK3/2]
Ī»0
[W/mK] Ī»675
[W/mK] riā Ī»675
[W/mK]
CO2 0.09091 274.0 1026 1352 0.0163 0.0637 0.005792
N2 0.71818 123.6 0 2115 0.0241 0.0688 0.049402
O2 0.00909 123.6 0 2115 0.0241 0.0688 0.000625
H2O 0.18182 673.0 0 3365 0.0159 0.0785 0.014281
Ī»DP = āriā Ī»675 0.070101
Tablica 3 ā Koeficijent toplinske vodljivosti dimnih plinova
KmW070101.0DP ā
ā =Ī»
1.3.2. Koeficijent prijelaza topline ā prijelaz topline u cijevi ā izbor cijevi
Izabrana brzina strujanja dimnih plinova u cijevi:
sm11w DP ā =
Izbor cijevi:
Izabrana je cijev napravljena od Ä7400 (Äelik za poviÅ”ene temperature) dimenzija DN25 (1ā³) ā 33.7 x 2.6 mm
mm5.28du ā =
mm7.33dv ā =
Reynoldsov broj:
23008.28861004.3815
3513.00285.011dwdwRe 8DP
DPuDP
DP
uDP >=ā ā ā
=Ī·
Ļā ā =
Ļ ā
=ā
(prijelazno podruÄje)
Prandtlov broj:
702.0070101.0
12901005.3815c
ca
Pr8
DP
DPDP
DPDP
DP
DP
DP
DP
DP =ā ā
=Ī»ā Ī·
=
ā ĻĪ»ĻĪ·
=Ļ
=ā
IzmjenjivaÄ ULJE ā DIMNI PLINOVI 14
Hausen-ov izraz za proraÄun prijelaza topline u prijelaznom i turbulentnom podruÄju (Re > 2300):
( ) QG3.0u8.0 ff8.0Pr8.1
Ld510266Re0235.0Nu ā ā āā ā
ā„ā„ā¦
ā¤
ā¢ā¢ā£
ā”āā ā
āāāā +āā =
5.0
( ) 0572.10377.18.0702.08.19.3
0285.05102668.28860235.0Nu 3.05.0
8.0 ā ā āā ā ā„ā„ā¦
ā¤
ā¢ā¢ā£
ā”āā ā
āāāā +āā =
687.7Nu =
U kojima za fG (geometrijski faktor) vrijedi izraz:
0377.19.3
0285.01Ld1f
33u
G =āā ā
āāā+=ā
ā
āāā
ā+=
22
dok je fQ (korekcioni faktor za smjer izmjene topline) definiran izrazom:
0572.153.256305.3815f
DPst
DPQ =ā
ā ā
āāā=āā
ā
āāāā
āĪ·Ī·
=14.014.0
Temperatura stijenke je pretpostavljena na C271tSTu Ā°= . Rezultat je prikazan u tablici 4
plin ri T0
[Ā°C] Ī·0ā 108
[Paā s] C [K]
Ī·271ā 108
[Paā s] riā Ī·271ā 108
[Paā s]
CO2 0.09091 0 1366 274 2568.62 233.51
N2 0.71818 0 1665 103 2721.11 1954.25
O2 0.00909 0 1920 138 3253.85 29.58
H2O 0.18182 0 ā ā 1904.00 346.19
Ī·DPstā 108 = āriā Ī·271ā 108 2563.53
Tablica 4 ā DinamiÄka žilavost dimnih plinova kod temperature 271Ā°C
DP
uDP dNuĪ»ā Ī±
=
KmW907.18
0285.0070101.0687.7
dNu
2u
DPDP ā =
ā =
Ī»ā =Ī±
IzmjenjivaÄ ULJE ā DIMNI PLINOVI 15
1.4. Prijelaz topline na strani sekundara
1.4.1. Fizikalna svojstva ulja Fizikalna svojstva ulja se uzimaju za srednju temperaturu ulja:
C4.2622
8.2642602
ttt UizUulUsr Ā°=
+=
+=
OÄitano iz Priloga 1 za termiÄko ulje:
ĻU = 786.176 kg/m3
cU = 2393.96 J/kgK
Ī»U = 0.08676 W/m K
Ī¼U = 0.2576 10-3 Ns/m2
1.4.2. Koeficijent prijelaza topline ā izmjenjivaÄ sa segmentnim pregradama
Reynoldsov broj za odabranu brzinu strujanja wu = 0.45 m/s:
4.46282102576.0
176.7860337.045.0dwdwRe 3U
UvU
U
vU =ā ā ā
=Ī·
Ļā ā =
Ļ ā
=ā
Prandtlov broj iznosi:
108.708676.0
96.2393102576.0ca
Pr3
U
UU
U
U =ā ā
=Ī»ā Ī·
=Ļ
=ā
Prema Donohue-u, za proraÄun prijelaza topline izmjenjivaÄa sa segmentnim pregradama, a u podruÄju 4 ā¤ Re ā¤ 5 ā 104 i 0.5 ā¤ Pr ā¤ 5 ā 103, preporuÄuje se izraz:
Q31
6.0 fPrReCNu ā ā ā =
Pri Äemu za fQ vrijedi izraz:
0048.1249.0
2576.0fUst
UQ =ā
ā ā
āāā=āā
ā
āāāā
āĪ·Ī·
=14.014.0
Ī¼st je dinamiÄka žilavost ulja kod temperature stijenke cijevi ā pretpostavljeno
C5.270tSTv Ā°= sPa10249.0 3
Ust ā ā ā =Ī· ā
Konstanta C iznosi za plaÅ”t sa vrlo dobrom mehaniÄkom obradom C = 0.25, dok za neobraÄeni iznosi C = 0.22. Izabrano C = 0.25
Nusseltova znaÄajka tada ima vrijednost:
218.3040048.1108.74.4628225.0fPrReCNu 31
6.0Q
31
6.0 =ā ā ā =ā ā ā =
Iz Nusselta dobivamo koeficijent prijelaza topline na strani ulja:
KmW2.783
0337.008676.0218.304
dNu
2v
UU ā =
ā =
Ī»ā =Ī±
IzmjenjivaÄ ULJE ā DIMNI PLINOVI 16
1.5. Provjera pretpostavljenih temperatura stijenki cijevi
Kod proraÄuna prijelaza topline na strani primara pretpostavljena je temperatura stijenke cijevi s unutarnje strane:
C271tSTu Ā°=
a kod proraÄuna prijelaza topline na strani sekundara temperatura stijenke cijevi s vanjske strane:
C5.270tSTv Ā°=
Vanjska temperatura cijevi tST v
GustoÄa toplinskog toka na strani dimnih plinova (u cijevi) svedena na vanjsku povrÅ”inu cijevi, kao funkcija vanjske temperature stijenke cijevi:
5.287.33ln
4020337.0
907.185.287.33
t675
ddln
2d
dd
ttq STv
u
vv
DPu
v
STvDPsrDPv
ā ā
+ā
ā=
ā Ī»ā
+Ī±ā
ā=
)t675(97157.15q STvDPv āā =
KmW907.18 2DP ā
ā =Ī±
C675tDPsr Ā°= ā srednja temperatura dimnih plinova
KmW40ā
ā =Ī» ā oÄitano za Äelik Ä 7400
GustoÄa toplinskog toka na strani ulja (oko cijevi) svedena na vanjsku povrÅ”inu cijevi, kao funkcija vanjske temperature stijenke cijevi:
)4.262t(2.783)tt(q STvUsrSTvUUv āā =āā Ī±=
KmW2.783 2U ā
ā =Ī±
C4.262tUsr Ā°= ā srednja temperatura ulja
Ravnoteža toplinskih tokova:
UvDPv qq =
)t675(97157.15 STvāā = )4.262t(2.783 STv āā
4898.216292t17157.799 STv =ā
IzmjenjivaÄ ULJE ā DIMNI PLINOVI 17
C64.270tSTv Ā°=
Kako je pretpostavljena vanjska temperatura cijevi , rezultat zadovoljava.
C5.270tSTv Ā°=
Unutarnja temperatura cijevi tST u
GustoÄa toplinskog toka na strani ulja (oko cijevi) svedena na unutarnju povrÅ”inu cijevi, kao funkcija unutarnje temperature stijenke cijevi:
2.7837.335.28
5.287.33ln
4020285.0
4.262t
dd
ddln
2d
ttq STu
Uv
u
u
vu
UsrSTuUu
ā +ā
ā
ā=
Ī±ā +ā
Ī»ā
ā=
)4.262t(5758.877q STuUu āā =
GustoÄa toplinskog toka na strani dimnih plinova (u cijevi) svedena na unutarnju povrÅ”inu cijevi, kao funkcija unutarnje temperature stijenke cijevi:
)t675(907.18)tt(q STuSTuDPsrDPDPu āā =āā Ī±=
Ravnoteža toplinskih tokova:
UuDPu qq =
)4.262t(5758.877 STu āā = )t675(907.18 STuāā
115.243038t4828.896 STu =ā
C1.271tSTu Ā°=
Kako je pretpostavljena unutarnja temperatura cijevi C271tSTu Ā°= i ovaj rezultat zadovoljava.
IzmjenjivaÄ ULJE ā DIMNI PLINOVI 18
1.6. Srednja logaritamska razlika temperatura
350
1000
260264.8
A izmj
Ā°C
Ā°C
Ā°C
Ā°C
tv
tm
Slika 1 ā Tok temperatura na izmjenjivaÄu topline
ĪĻm =
m
v
mv
ĻĻĻĻ
ĪĪĪāĪ
ln = ( ) ( )
2603508.2641000ln
2603508.2641000
āā
āāā = 307.2 Ā°C
1.7. Koeficijent prolaza topline sveden na vanjsku stranu cijevi
KmW907.18 2DP ā
ā =Ī±
KmW2.783 2U ā
ā =Ī±
2.7831
5.287.33ln
4020337.0
5.287.33
907.181
11
ddln
2d
dd1
1k
uu
vv
u
v
DP
v
+ā ā
+ā =
Ī±+ā
Ī»ā +ā
Ī±
=
KmW6524.15k 2v ā
ā =
Koeficijent prolaza topline se inaÄe joÅ” treba korigirati zbog oneÄiÅ”Äenja izmjenjivaÄa topline, ali kako je to oneÄiÅ”Äenje za ulje malo, uz nizak koeficijent prolaza topline, ono se može zanemariti.
IzmjenjivaÄ ULJE ā DIMNI PLINOVI 19
2. DIMENZIONIRANJE IZMJENJIVAÄA
U ovom poglavlju odreÄene su dimenzije osnovnih dijelova konstrukcije izmjenjivaÄa. Neki dijelovi su na osnovu izraÄunatih veliÄina izabrani iz kataloga i prospekta za procesnu tehniku, dok je za nestandardne dijelove izraÄena potrebna tehniÄka dokumentacija. Dimenzije cijevi kroz koje struji primar odabrane su u prethodnom poglavlju.
2.1. Potreban broj cijevi:
76.9611
40285.0
679.0
w4
dVn 2
DP
2u
DP =ā
Ļā =
ā Ļā
= ā97 cijevi
sm11wDP ā = ā odabrana brzina strujanja dimnih plinova
Zbog lakÅ”eg smjeÅ”taja, u izmjenjivaÄu je 96 cijevi.
2.2. Potrebna izmjenjivaÄka povrÅ”ina
2
mpotr m6.41
2.3076524.15200000
kQA ā =
ā =
ĻĪā =
2.3. Ukupna duljina cijevi
m093.4960337.0
6.41nd
AL
v
potr ā =ā Ļā
=ā Ļā
=
Dobiveni rezultat ne odstupa znaÄajno od vrijednosti koje su pretpostavljene kod raÄunanja prijelaza topline na strani dimnih plinova.
2.4. IzraÄunavanje promjera plaÅ”ta
Vanjski promjer plaÅ”ta raÄuna se prema izrazu iz WƤrmeatlasa (Ob6):
mm88.44143961.1tzftzfD 22
21T ā =ā ā =ā ā +ā ā =
z ā broj cijevi cijevi 96nz ==
43t = ā korak izmeÄu cijevi
1.1f1 = ā Å”ahovski raspored cijevi
0f2 = ā ovisi o broju prolaza (broj prolaza = 1)
IzmjenjivaÄ ULJE ā DIMNI PLINOVI 20
Vanjski promjer plaŔta:
mm58.511821027.3388.441s2u2dDD 1vTv ā =ā +ā ++=ā +ā ++=
PlaÅ”t izmjenjivaÄa izraditi Äe se savijanjem ÄeliÄnog lima na dimenzije:
mm516Dv ā = ā vanjski promjer
mm500Du ā = ā unutarnji promjer
mm8s ā = ā debljina stijenke
Materijal plaÅ”ta: Sitnozrnati konstrukcijski Äelik ÄRV 250
Na slici je prikazan smjeÅ”taj cijevi u plaÅ”tu izmjenjivaÄa (lijevo) i Å”ahovski raspored cijevi (desno).
43
60Ā°
33.7
Slika 2- SmjeÅ”taj cijevi u plaÅ”tu ā Å”ahovski raspored
IzmjenjivaÄ ULJE ā DIMNI PLINOVI 21
2.5. Odabir kompenzatora
Radi visokih toplinskih naprezanja koja bi nastala u izmjenjivaÄu topline zbog razlike u rastezanju izmeÄu plaÅ”ta izmjenjivaÄa i cijevi kroz koje struje dimni plinovi, na plaÅ”t izmjenjivaÄa se privaruju kompenzatori toplinskih naprezanja.
2.5.1. Toplinska naprezanja konstrukcije izmjenjivaÄa bez kompenzatora:
Toplinska naprezanja uzrokuju produljenje:
Apsolutno produljenje:
Ll ā=Ī“
Relativno produljenje:
LĪ“
=Īµ
Prema Hook-ovom zakonu vrijedi:
EL
E ā Ī“
=ā Īµ=Ļ AEFL
EL
ā ā
=Ļā
=Ī“
U naÅ”em sluÄaju imamo produljenje cijevi i produljenje plaÅ”ta:
cc
t
cc AE
FLE
Lā ā
=Ļā
=Ī“ (1)
pp
t
pp AE
FLE
Lā ā
=Ļā
=Ī“ (2)
( ) ( )[ ]pccppc tttL āā Ī±+ā Ī±āĪ±ā =Ī“
( )ppcc ttL ā Ī±āā Ī±ā =Ī“ (3)
pc Ī“+Ī“=Ī“ (4)
Uvrstimo li izraze (1), (2) i (3) u (4), slijedi:
Ft = PPCC
PPCCPPCC
AEAEAEAE)tt(
+ā ā ā Ī±āā Ī±
(5)
S obzirom da je temperatura cijevi veÄa od temperatura plaÅ”ta tc>tp, pa je i Ī±c>Ī±p
IzmjenjivaÄ ULJE ā DIMNI PLINOVI 22
Bez kompenzatora, sila u konstrukciji (prema izrazu (5), zbog toplinskih naprezanja iznosi:
Ft = PPCC
PPCCPPCC
AEAEAEAE)tt(
+ā ā ā Ī±āā Ī±
gdje je:
EC = 190 000 N/mm2 ā modul elastiÄnosti materijala cijevi
EP = 210 000 N/mm2 ā modul elastiÄnosti materijala plaÅ”ta
PovrÅ”ina popreÄnog presjeka cijevi izmjenjivaÄa:
( ) ( ) 222
uvC mm8.24386
45.287.3396
4ddnA ā =
Ļā āā =
Ļā āā =
22
PovrÅ”ina popreÄnog presjeka plaÅ”ta izmjenjivaÄa:
( ) ( ) 2222
u2
vP mm4.12767
4500516
4DDA ā =
Ļā ā=
Ļā ā=
Ī±C = 12.66 Ī¼m/mK ā temperaturni koeficijent rastezanja materijala cijevi
Ī±P = 12.6 Ī¼m/mK ā temperaturni koeficijent rastezanja materijala plaÅ”ta
tC ā 271 Ā°C ā srednja temperatura stijenke cijevi
tP ā 230 Ā°C ā srednja temperatura stijenke plaÅ”ta izmjenjivaÄa
Ft= 1602221000024386.819000016022210000 24386.8190000)15.230106.1215.2711066.12( 66
ā +ā ā ā ā ā ā ā āā ā āā
Ft = 1038.670 kN
Toplinska naprezanja u cijevnom snopu, odnosno u plaÅ”tu izmjenjivaÄa tada iznose:
ĻC = C
t
AF
= 24386.81038670
= 42.5915 N/mm2 = 42591500 N/m2 = 42.5915 MPa
ĻP = P
t
AF
= 12767.4
1070598= 83.854 N/mm2 = 83854000 N/m2 = 83.854 MPa
2.5.2. Izbor kompenzatora:
Iz literature (ruski autori ŠŠŠ„ŠŠŠ, Š. Š. , ŠŠ Š£ŠŠŠŠ) za unutarnji tlak izmjenjivaÄa od 10 bara i unutarnji promjer plaÅ”ta Du=500 mm iz tablica 17.6 do 17.9 na str. 363 - 367 izabran je valoviti kompenzator dimenzija [Slika 3]:
Materijal kompenzatora: Ä 4574 (Prokron 12. Spec.)
IzmjenjivaÄ ULJE ā DIMNI PLINOVI 23
Dn = 512 mm ā nazivni promjer kompenzatora
DL = 662 mm ā promjer kompenzatora na vrhu vala
s = 3 mm ā debljina stijenke kompenzatora
R = 14 mm ā radijus zakrivljenost
zL = 2 ā odabrani broj valova
LV = 72 mm ā duljina jednog vala
Ukupna sposobnost kompenzatora sastavljenog iz zL valova:
ĪK = ĪL ā zL = 2 ā 2 = 4 mm
ĪL ā kompenzacijska sposobnost jednog vala kompenzatora
3
R14R14
144
72
5
Ć662
Ć51 2
Slika 3 ā Valoviti kompenzator sa dva vala
2.5.3. Toplinska naprezanja konstrukcije izmjenjivaÄa sa kompenzatorom:
Kada se kompenzator zavari za plaÅ”t izmjenjivaÄa, sila u konstrukciji zbog toplinskih naprezanja prema ŠŠŠ„ŠŠŠ, Š. Š. , ŠŠ Š£ŠŠŠŠ iznosi:
Ft =
KPPCC
PPCC
Em
AEL
AEL
L)tt(
++
ā ā Ī±āā Ī±
gdje je:
IzmjenjivaÄ ULJE ā DIMNI PLINOVI 24
m = zL ā 3
2u11
sD)1(06.0
ā Ļā Ī²āā Ī±ā
= 47.8109 1/mm ā parametar kompenzatora
Ī² = Du/DL = 500/662 = 0.7553
Ī±1 = f (Ī²) = 0.55244
Du = 500 mm
s = 3 mm
zL = 2
EK = 210000 N/mm2 ā modul elastiÄnosti materijala kompenzatora
Ft =
2100008109.47
12767.42100004150
24386.81900004150
4150)15.230106.1215.2711066.12( 66
+ā
+ā
ā ā ā āā ā āā
ā 9610 N
Ft = 9.61 kN
Toplinska naprezanja sa kompenzatorom tada iznose:
ĻC = C
t
AF
= 24386.8
9610= 0.394065 N/mm2 = 394065 N/m2 = 0.394065 MPa
ĻP = P
t
AF
= 12767.4
9610= 0.7527 N/mm2 = 752700 N/m2 = 0.7527 MPa
Produljenje kompenzatora iznosi:
Ī“K = K
t
EFm ā
= 210000
96108109.47 ā = 2.188 mm < ĪK
Produljenje kompenzatora je manje od ukupne sposobnosti kompenzatora ĪK=4 mm, tako da odabrani kompenzator zadovoljava.
2.6. Dimenzioniranje prikljuÄaka na izmjenjivaÄu
Dimni plinovi ulaze i izlaze u izmjenjivaÄ cjevovodom sa donje, odnosno gornje strane, Äije se prirubnice direktno spajaju sa cijevnom stijenkom izmjenjivaÄa. Kako dimenzije cjevovoda za dovod dimnih plinova nisu dio ovoga rada, dimenzionirane su samo osnovne dimenzije prikljuÄaka za ulaz odnosno izlaz ulja, a koji se nalaze na plaÅ”tu izmjenjivaÄa.
2.6.1. Cijevni nastavci na plaÅ”tu izmjenjivaÄa (ulaz - izlaz ulja)
Cijevni nastavak za ulaz ulja u izmjenjivaÄ nije spojen direktno na plaÅ”t izmjenjivaÄa, nego se zavaruje na komoru za ulaz ulja.
IzmjenjivaÄ ULJE ā DIMNI PLINOVI 25
Izlaz ulja je kroz cijevni nastavak istih dimenzija kao kod ulaza ulja, samo Ŕto je zavaren direktno na plaŔt.
Željena brzina medija kroz prikljuÄak:
sm5.1wpr ā =
sm02222.0
hm80V
33
U ā =ā =
PovrÅ”ina presjeka prikljuÄka:
2
pr
Upr m01481.0
5.102222.0
wVA ā ===
Promjer prikljuÄka:
m1373.001481.04A4d pr
pr ā =Ļ
ā =
Ļ
ā =
Iz IPIM-a odabrana je cijev prikljuÄka prema HRN C.B5.221 (ÄeliÄna beÅ”avna cijev):
ā materijal Ä.1214
ā nazivni promjer DN 125
ā vanjski promjer dv = 139.7 mm
ā unutarnji promjer du = 131.7 mm
ā debljina stijenke s = 4 mm
ā masa m = 13.4 kg/m
Stvarna brzina :
22
u
Ustv s
m63.11317.0
402222.0d
4Vw ā =ā Ļ
ā =
ā Ļ
ā =
2.6.2. Prirubnica za izabrani cijevni nastavak na podnici
Prirubnica sa grlom za zavarivanje izabrana je iz IPIM-a za PN16, a prema HRN M.B6.162 izabrana prirubnica ima slijedeÄa svojstva :
materijal Ä.1214
mjere prirubnice:
ā DN 125
ā d1 = 139.7 mm
ā D = 250 mm
ā b = 22 mm
brtvena povrŔina:
ā d4 = 188 mm
ā f = 3 mm
ā broj rupa : n = 8
ā d2 = 18 mm
IzmjenjivaÄ ULJE ā DIMNI PLINOVI 26
ā k = 210 mm
ā h1 = 55 mm
ā d3 = 156 mm
ā s = 4 mm
ā r = 8 mm
ā h2 = 12 mm
ā vijci : M 16
masa prirubnice: m = 6.3 kg
2.7. Komora za ulaz ulja
Da bi se ulje koje ulazi u izmjenjivaÄ Å”to bolje rasporedilo po snopu cijevi, dovodi se cjevovodom do ulazne komore koja je zavarena za plaÅ”t izmjenjivaÄa. Na plaÅ”tu izmjenjivaÄa nalaziti se obodni otvor povrÅ”ine:
A = Du ā Ļ ā Ī±/360 ā h = 0.5 ā Ļ ā 56/360 ā 0.1 = 0.024435 m2
gdje su:
Du ā unutarnji promjer plaÅ”ta izmjenjivaÄa (m)
Ī± ā kutna duljina otvora
h ā Å”irina otvora (m)
Brzina strujanja ulja kroz otvor:
sm91.0
024435.0022222.0
AVw
otv
Uotv ā ===
Ulazna komora je napravljena savijanjem ÄeliÄnog lima na dimenzije:
Dv = 262 mm ā vanjski promjer
Du = 250 mm ā unutarnji promjer
s = 6 mm ā debljina stijenke
Materijal plaŔta ulazne komore:
Sitnozrnati konstrukcijski Äelik ÄRV 250
IzmjenjivaÄ ULJE ā DIMNI PLINOVI 27
2.8. Minimalna debljina izolacije izmjenjivaÄa
Zbog toplinskih gubitaka i visoke temperature vanjske stijenke, izmjenjivaÄ je potrebno izolirati. Minimalna debljina izolacije od mineralne vune može se izraÄunati iz ravnoteže toplinskih tokova:
v
iz
iz
iz
u
vv
v stu stokv stv
DDln
2D
DDln
2D
tt)tt(
Ī»ā +
Ī»ā
ā=āā Ī±
gdje su:
tst v = 50 Ā°C ā temperatura vanjske stijenke izmjenjivaÄa ā nju želimo postiÄi
tst u = 230 Ā°C ā približna temperatura unutarnje stijenke plaÅ”ta izmjenjivaÄa
tok = 20 Ā°C ā pretpostavljena temperatura okoliÅ”a
Ī» = 50 W/mK ā oÄitano iz toplinskih tablica za Äelik ÄRV 250
Ī» = 0.035 W/mK ā oÄitano iz toplinskih tablica za mineralnu vunu
Ī±v = 10 W/m2K ā pretpostavljen koeficijent prijelaza topline na vanjskoj strani izmjenjivaÄa
Du = 0.5 m ā unutarnji promjer plaÅ”ta izmjenjivaÄa
Dv = 0.52 m ā vanjski promjer plaÅ”ta izmjenjivaÄa
Promjer izolacije izmjenjivaÄa Diz dobiven iteracijom:
Diz = 0.56 m
Minimalna debljina izolacije: s = 0.02 m = 20 mm
IzmjenjivaÄ je izoliran mineralnom vunom debljine 100 mm.
IzmjenjivaÄ ULJE ā DIMNI PLINOVI 28