ZADATAK - FSB

ZADATAK

Potrebno je izraditi termodinamički i hidraulički te proračun čvrstoće izmjenjivača topline ulje – dimni plinovi, i zatim odabrati vrstu i klasu posude pod tlakom. Izmjenjivač je postavljen vertikalno u prostoru, dimni plinovi struje kroz cijevi, a termičko je ulje usmjeravano pregradama oko cijevi.

Zadani parametri su:

PRIMAR – dimni plinovi u cijevima:

− ulazna temperatura dimnih plinova: C1000tDPul °=

− izlazna temperatura dimnih plinova: C350tDPiz °=

− tlak dimnih plinova: bar1pDP ⋅=

Dimni plinovi su produkt izgaranja metana CH4. Izgaranje je potpuno s faktorom pretička uzduha 05.1=λ .

SEKUNDAR – ulje oko cijevi:

− ulazna temperatura ulja: C260tUul °=

− volumni protok ulja: h

m80V3

U ⋅=

− radni pretlak ulja: bar10pU ⋅=

Fizikalna svojstva termičkog ulja Downtherm Q mogu se očitati u Prilogu 1.

Kapacitet izmjenjivača: Q = 200 kW

Izmjenjivač ULJE – DIMNI PLINOVI 1

PRILOG 1 – Fizikalna svojstva termičkog ulja DOWNTHERM Q






1. TERMODINAMIČKI PRORAČUN IZMJENJIVAČA

1.1. Termičko ulje

Izlazna temperatura ulja:

( ) ( )UulUizUUUUulUizUU ttcVttcmQ −⋅⋅⋅ρ=−⋅⋅=

UUUUul

UUUulUiz cV

Qtcm

Qtt⋅⋅ρ

+=⋅

+=

Pretpostavljena izlazna temperatura ulja: C265tUiz °=

1.1.1. Fizikalna svojstva ulja pri ulaznoj temperaturi C260tUul °=

3Uul mkg788 ⋅=ρ gustoća

KkgJ2387cUul ⋅

⋅= specifični toplinski kapacitet

1.1.2. Fizikalna svojstva ulja pri pretpostavljenoj izlaznoj temperaturi

C265tUiz °=

3Uiz mkg2.784 ⋅=ρ gustoća

KkgJ5.2401cUiz ⋅

⋅= specifični toplinski kapacitet

1.1.3. Srednja gustoća i specifični toplinski kapacitet ulja

3UizUul

U mkg1.786

22.784788

2⋅=

+=

ρ+ρ=ρ

KkgJ25.2394

25.24012387

2ccc UizUul

U ⋅⋅=

+=

+=

1.1.4. Maseni protok ulja

skg4689.17

hkg62888

mkg1.786

hm80Vm 3

3

UUU ⋅=⋅=⋅⋅⋅=ρ⋅=

1.1.5. Stvarna temperatura ulja na izlazu iz izmjenjivača

C265C8.26425.23944689.17

200000260cm

QttUU

UulUiz °≈°=⋅

+=⋅

+=


1.2. Dimni plinovi

Termičko ulje se grije dimnim plinovima koji su produkt izgaranja metana.

Kapacitet izmjenjivača:

( ) ( )DPizDPulDPDPDPDpizDPulDPDP ttcVttcmQ −⋅⋅⋅ρ=−⋅⋅=

C1000tDPul °= ⇒ ulazna temperatura dimnih plinova

C350tDPiz °= ⇒ izlazna temperatura dimnih plinova

Da bi odredili specifičnu toplinu dimnih plinova najprije moramo odrediti sastav dimnih plinova koji nastaju kao produkt izgaranja metana. Pretpostavka je da je izgaranje potpuno (α= 1), s pretičkom uzduha λ = 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 ⋅=

kmolkg32M

2O ⋅=

kmolkg44M

2CO ⋅=

kmolkg18M OH2

⋅=

dobiva se masena bilanca tvari:

16 kg CH4 + 2⋅32 kg O2 = 44 kg CO2 + 2⋅18 kg H2O /16

1 kg CH4 + 4 kg O2 = 2.75 kg CO2 + 2.25 kg H2O


1.2.2. Minimalna količina kisika potrebna za izgaranje

Minimalna količina kisika za općenito zadani sastav plina računa se prema izrazu:

( ) 2yx4242min OHC4yxHC3HC2HOC

21O ′−′⋅⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ ++′⋅+′⋅+′+′⋅= ∑

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡kmolGkmolO2

gdje su CO`, H2`, CH4`, CxHy`, O2` volumni udjeli pojedinih sudionika u mješavini plinovitog goriva.

U slučaju izgaranja metana gorivo je čisti metan, tako da je CH4` = 1 kmolCH4/ kmolG, a minimalna količina kisika za izgaranje iznosi:

kmolGkmolO2

kmolGkmolCH1

kmolCHkmolO2HC2O 24

4

24min ⋅=⋅⋅⋅=′⋅=

Kisik potreban za izgaranje dovodi se atmosferskim uzduhom. Molni udio kisika u uzduhu:

kmolUkmolO21.0r 2

O2⋅=

Minimalna potrebna količina uzduha za izgaranje:

21.0OL min

min = ⎥⎦⎤

⎢⎣⎡kmolGkmolU

Stvarna količina uzduha potrebna za izgaranje:

21.0OLL min

minstv ⋅λ=⋅λ= ⎥⎦⎤

⎢⎣⎡kmolGkmolU

gdje λ predstavlja faktor pretička uzduha. Ako je faktor pretička uzduha manji od jedinice, izgaranje će se odvijati nepotpuno, a za λ > 1 pretičak uzduha je (λ - 1) ⋅ Lmin

kmolGkmolU10

kmolUkmolO21.0

kmolG05.121.0

OL2

minstv ⋅=

⋅⋅=⋅λ=

kmolO2 2⋅

1.2.3. Ložište

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

λ ⋅ Lmin uzduha Ložište


1.2.4. Sastav suhih dimnih plinova

Pri potpunom izgaranju suhi dimni plinovi se sastoje iz CO2, O2 i N2, a pri nepotpunom također još iz CO, H2, CH4. U našem slučaju sastav suhih dimnih plinova može se izraziti jednadžbom

CO2 + O2 + N2 = 1,

gdje kemijski simboli označavaju volumenske udjele pojedinih sudionika u suhim dimnim plinovima

[ ]2CO

SDP

22 r

nCOCO == ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡kmolSDPkmolCO2

[ ]2O

SDP

22 r

nOO == ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡kmolSDPkmolO2

[ ]2N

SDP

22 r

nNN == ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡kmolSDPkmolN2

Količina suhih dimnih plinova po jedinici količine goriva računa se po slijedećoj jednadžbi:

[ ] [ ] [ ]222SDP NOCOn ++= ⎥⎦⎤

⎢⎣⎡

kmolGkmolSDP

1.2.5. Bilanca dušika

Dušik u ložište dolazi sa uzduhom u količini 0.79 λ Lmin.

[ ]22SDPmin NNnL79.0 =⋅=⋅λ⋅

[ ]kmolGkmolN9.7

kmolGkmolU10

kmolUkmolN79.0L79.0N 22

stv2 ⋅=⋅⋅⋅=⋅=

1.2.6. Bilanca ugljika

nc = CO2 + CO + CH4 ⎥⎦⎤

⎢⎣⎡kmolSDP

kmolC

[ ]kmolG

kmolCO1CO 22 ⋅=


1.2.7. Bilanca vodika

Bilanca vodika:

[ ]kmolG

kmolHHnOH VDP020 2

22 ⋅=⋅=

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 slijedećeg izraza:

( ) [ ]2min OO1 =⋅−λ

[ ] ( )kmolGkmolO1.0205.0

kmolGkmolO2105,1O 22

2 ⋅=⋅=⋅⋅−=

1.2.9. Količina suhih dimnih plinova

[ ] [ ] [ ]kmolG

kmolSDP99.71.01NOCOn 222SDP ⋅=++=++=

1.2.10. Količina vlažnih dimnih plinova

[ ] [ ] [ ] [ ]kmolG

kmolVDP1129.71.010HNOCOn 2222VDP ⋅=+++=+++=

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

⋅===

[ ]kmolVDPkmolN71818.0

119.7

nNr 2

VDP

2N2

⋅===

[ ]kmolVDPkmolO00909.0

111.0

nOr 2

VDP

2O2

⋅===

[ ]kmolVDP

OkmoH18182.0112

nOHr 2

VDP

2OH2

⋅===


1.2.12. Određivanje specifične topline dimnih plinova

U tablici su prikazane srednje specifične topline za svakog pojedinog sudionika dimnih plinova, kao i specifične topline dimnih plinova u rasponu od 0 do 350 °C i od 0 do 1000 °C. Sve veličine su u kJ/kmol K.

plin ri [ ]350

0piC [ ]350

0pii Cr ⋅ [ ]1000

0piC [ ]1000

0pii Cr ⋅

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 ⋅

⋅=⋅Σ [ ]Kkmol

kJ3013.34Cr 10000pii ⋅

⋅=⋅Σ

Tablica 1 – Srednje specifične topline dimnih plinova

Srednja specifična toplina za interval od 350 do 1000°C se dobiva iz slijedećeg izraza – prema:

[ ] [[ ] ]3501000

3506562.3110003013.34tt

tCtCC

DPizDPul

DPiz0pDPul0p1000350p −

⋅−⋅=

−

⋅−⋅=

3501000

Kkmol

kJ7256.35⋅

⋅=

Prividna molna masa mješavine:

OHOHOONNCOCOiiDP 22222222MrMrMrMrMrM ⋅+⋅+⋅+⋅=⋅Σ=

= 0.090091 ⋅ 44.01 + 0.71818 ⋅ 28.02 + 0.00909 ⋅ 32 + 0.18182 ⋅ 18.032

= 27.6938 kmolkg

[ ][ ]

kgKkJ290.1

6938.277256.35

kmolkgM

kmolKkJC

kgKkJc

DP

1000350p

1000350p ⋅==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡⋅

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡

=⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡

KkgJ1290cDP ⋅

⋅=


1.2.13. Maseni i volumni protok dimnih plinova

( ) ( )DPizDPulDPDPDPDpizDPulDPDP ttcVttcmQ −⋅⋅⋅ρ=−⋅⋅=

( ) ( ) hkg676.858

skg23852.0

350100029.1200

ttcQm

DPizDPulDPDP ⋅=⋅=

−⋅=

−⋅=

Volumni protok dimnih plinova se može jednostavno izračunati iz izraza:

DP

DPDP

mVρ

=

ali se prije toga mora odrediti srednja gustoća dimnih plinova.

Gustoća se može odrediti tako da se koristi jednadžba idealnih plinova.

Gustoća se računa za srednju temperaturu dimnih plinova C675tDPsr °=

K15.948TDPsr ⋅=

3

5

DPsrDP m

kg3513.015.948212.300

101TRp

⋅=⋅

⋅=

⋅=ρ

KkgJ212.300

kmolkg6938.27

Kkmol

kmolkgM

KkmolRDP

⋅⋅=

⋅

⋅=⋅

⋅=

J8314J8314 ⋅⋅

Protočni volumen dimnih plinova:

sm679.0

hm281.2444

3513.0676.858mV

33

DP

DPDP ⋅=⋅==

ρ=


1.3. Prijelaz topline na strani primara (na strani dimnih plinova)

1.3.1. Fizikalna svojstva dimnih plinova

Fizikalna svojstva plinova su potrebna za određivanje bezdimenzionalnih značajki. Računaju se za srednju temperaturu dimnih plinova:

C6752

35010002

ttt DPizDPulDPsr °=

+=

+=

K15.94815.27367515.273tT DPsrDPsr ⋅=+=+=

Specifična toplina dimnih plinova:

KkgJ1290cDP ⋅

⋅=

Gustoća dimnih plinova:

3DP mkg3513.0 ⋅=ρ

Dinamička žilavost dimnih plinova se može izračunati prema Sutherland-ovoj formuli:

DPsr

0

0

DPsr0DP

TC1

TT

T

+⋅⋅η=η

C1+

Za svakog sudionika dimnih plinova dinamička žilavost se računa posebno i tada se, uz množenje sa volumnim udjelima, zbrajaju. Rezultati su prikazani tabelarno [Tablica 2]:

plin ri T0

[°C] η0⋅108

[Pa⋅s] C [K]

η675⋅108

[Pa⋅s] ri⋅η675⋅108

[Pa⋅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 − − 3550.00 645.46

ηDP⋅108 = ∑ri⋅η675⋅108 3815.05

Tablica 2 – Dinamička žilavost dimnih plinova

sPa1005.3815 8DP ⋅⋅⋅=η −


Koeficijent toplinske vodljivosti se također računa prema Sutherland-ovoj formuli:

( )

DPsr

DPsrDPsrDP

TC1

TTE1D

+

⋅⋅+⋅=λ

plin ri C [K]

106⋅E [K-1]

106⋅D [W/mK3/2]

λ0

[W/mK] λ675

[W/mK] ri⋅λ675

[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

λDP = ∑ri⋅λ675 0.070101

Tablica 3 – Koeficijent toplinske vodljivosti dimnih plinova

KmW070101.0DP ⋅

⋅=λ

1.3.2. Koeficijent prijelaza topline – prijelaz topline u cijevi – izbor cijevi

Izabrana brzina strujanja dimnih plinova u cijevi:

sm11w DP ⋅=

Izbor cijevi:

Izabrana je cijev napravljena od Č7400 (čelik za povišene temperature) dimenzija DN25 (1″) ∅33.7 x 2.6 mm

mm5.28du ⋅=

mm7.33dv ⋅=

Reynoldsov broj:

23008.28861004.3815

3513.00285.011dwdwRe 8DP

DPuDP

DP

uDP >=⋅⋅⋅

=η

ρ⋅⋅=

υ⋅

=−

(prijelazno područje)

Prandtlov broj:

702.0070101.0

12901005.3815c

ca

Pr8

DP

DPDP

DPDP

DP

DP

DP

DP

DP =⋅⋅

=λ⋅η

=

⋅ρλρη

=υ

=−


Hausen-ov izraz za proračun prijelaza topline u prijelaznom i turbulentnom području (Re > 2300):

( ) QG3.0u8.0 ff8.0Pr8.1

Ld510266Re0235.0Nu ⋅⋅−⋅⋅

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⎟⎠⎞

⎜⎝⎛⋅+−⋅=

5.0

( ) 0572.10377.18.0702.08.19.3

0285.05102668.28860235.0Nu 3.05.0

8.0 ⋅⋅−⋅⋅⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⎟⎠⎞

⎜⎝⎛⋅+−⋅=

687.7Nu =

U kojima za fG (geometrijski faktor) vrijedi izraz:

0377.19.3

0285.01Ld1f

33u

G =⎟⎠⎞

⎜⎝⎛+=⎟

⎠

⎞⎜⎝

⎛+=

22

dok je fQ (korekcioni faktor za smjer izmjene topline) definiran izrazom:

0572.153.256305.3815f

DPst

DPQ =⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ηη

=14.014.0

Temperatura stijenke je pretpostavljena na C271tSTu °= . Rezultat je prikazan u tablici 4

plin ri T0

[°C] η0⋅108

[Pa⋅s] C [K]

η271⋅108

[Pa⋅s] ri⋅η271⋅108

[Pa⋅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 − − 1904.00 346.19

ηDPst⋅108 = ∑ri⋅η271⋅108 2563.53

Tablica 4 – Dinamička žilavost dimnih plinova kod temperature 271°C

DP

uDP dNuλ⋅α

=

KmW907.18

0285.0070101.0687.7

dNu

2u

DPDP ⋅=

⋅=

λ⋅=α


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 °=

+=

+=

Očitano iz Priloga 1 za termičko ulje:

ρU = 786.176 kg/m3

cU = 2393.96 J/kgK

λU = 0.08676 W/m K

μU = 0.2576 10-3 Ns/m2

1.4.2. Koeficijent prijelaza topline – izmjenjivač 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 =⋅⋅⋅

=η

ρ⋅⋅=

υ⋅

=−

Prandtlov broj iznosi:

108.708676.0

96.2393102576.0ca

Pr3

U

UU

U

U =⋅⋅

=λ⋅η

=υ

=−

Prema Donohue-u, za proračun prijelaza topline izmjenjivača sa segmentnim pregradama, a u području 4 ≤ Re ≤ 5 ⋅ 104 i 0.5 ≤ Pr ≤ 5 ⋅ 103, preporučuje se izraz:

Q31

6.0 fPrReCNu ⋅⋅⋅=

Pri čemu za fQ vrijedi izraz:

0048.1249.0

2576.0fUst

UQ =⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ηη

=14.014.0

μst je dinamička žilavost ulja kod temperature stijenke cijevi − pretpostavljeno

C5.270tSTv °= sPa10249.0 3

Ust ⋅⋅⋅=η −

Konstanta C iznosi za plašt sa vrlo dobrom mehaničkom obradom C = 0.25, dok za neobrađeni iznosi C = 0.22. Izabrano C = 0.25

Nusseltova značajka tada ima vrijednost:

218.3040048.1108.74.4628225.0fPrReCNu 31

6.0Q

31

6.0 =⋅⋅⋅=⋅⋅⋅=

Iz Nusselta dobivamo koeficijent prijelaza topline na strani ulja:

KmW2.783

0337.008676.0218.304

dNu

2v

UU ⋅=

⋅=

λ⋅=α


1.5. Provjera pretpostavljenih temperatura stijenki cijevi

Kod proračuna prijelaza topline na strani primara pretpostavljena je temperatura stijenke cijevi s unutarnje strane:

C271tSTu °=

a kod proračuna prijelaza topline na strani sekundara temperatura stijenke cijevi s vanjske strane:

C5.270tSTv °=

Vanjska temperatura cijevi tST v

Gustoća toplinskog toka na strani dimnih plinova (u cijevi) svedena na vanjsku površinu 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

⋅⋅

+⋅

−=

⋅λ⋅

+α⋅

−=

)t675(97157.15q STvDPv −⋅=

KmW907.18 2DP ⋅

⋅=α

C675tDPsr °= – srednja temperatura dimnih plinova

KmW40⋅

⋅=λ – očitano za čelik Č 7400

Gustoća toplinskog toka na strani ulja (oko cijevi) svedena na vanjsku površinu cijevi, kao funkcija vanjske temperature stijenke cijevi:

)4.262t(2.783)tt(q STvUsrSTvUUv −⋅=−⋅α=

KmW2.783 2U ⋅

⋅=α

C4.262tUsr °= – srednja temperatura ulja

Ravnoteža toplinskih tokova:

UvDPv qq =

)t675(97157.15 STv−⋅ = )4.262t(2.783 STv −⋅

4898.216292t17157.799 STv =⋅


C64.270tSTv °=

Kako je pretpostavljena vanjska temperatura cijevi , rezultat zadovoljava.

C5.270tSTv °=

Unutarnja temperatura cijevi tST u

Gustoća toplinskog toka na strani ulja (oko cijevi) svedena na unutarnju površinu 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

⋅+⋅

⋅

−=

α⋅+⋅

λ⋅

−=

)4.262t(5758.877q STuUu −⋅=

Gustoća toplinskog toka na strani dimnih plinova (u cijevi) svedena na unutarnju površinu cijevi, kao funkcija unutarnje temperature stijenke cijevi:

)t675(907.18)tt(q STuSTuDPsrDPDPu −⋅=−⋅α=

Ravnoteža toplinskih tokova:

UuDPu qq =

)4.262t(5758.877 STu −⋅ = )t675(907.18 STu−⋅

115.243038t4828.896 STu =⋅

C1.271tSTu °=

Kako je pretpostavljena unutarnja temperatura cijevi C271tSTu °= i ovaj rezultat zadovoljava.


1.6. Srednja logaritamska razlika temperatura

350

1000

260264.8

A izmj

°C

°C

°C

°C

tv

tm

Slika 1 – Tok temperatura na izmjenjivaču topline

Δϑm =

m

v

mv

ϑϑϑϑ

ΔΔΔ−Δ

ln = ( ) ( )

2603508.2641000ln

2603508.2641000

−−

−−− = 307.2 °C

1.7. Koeficijent prolaza topline sveden na vanjsku stranu cijevi

KmW907.18 2DP ⋅

⋅=α

KmW2.783 2U ⋅

⋅=α

2.7831

5.287.33ln

4020337.0

5.287.33

907.181

11

ddln

2d

dd1

1k

uu

vv

u

v

DP

v

+⋅⋅

+⋅=

α+⋅

λ⋅+⋅

α

=

KmW6524.15k 2v ⋅

⋅=

Koeficijent prolaza topline se inače još treba korigirati zbog onečišćenja izmjenjivača topline, ali kako je to onečišćenje za ulje malo, uz nizak koeficijent prolaza topline, ono se može zanemariti.


2. DIMENZIONIRANJE IZMJENJIVAČA

U ovom poglavlju određene su dimenzije osnovnih dijelova konstrukcije izmjenjivača. Neki dijelovi su na osnovu izračunatih veličina izabrani iz kataloga i prospekta za procesnu tehniku, dok je za nestandardne dijelove izrađena potrebna tehnička 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 =⋅

π⋅=

⋅π⋅

= ≈97 cijevi

sm11wDP ⋅= – odabrana brzina strujanja dimnih plinova

Zbog lakšeg smještaja, u izmjenjivaču je 96 cijevi.

2.2. Potrebna izmjenjivačka površina

2

mpotr m6.41

2.3076524.15200000

kQA ⋅=

⋅=

ϑΔ⋅=

2.3. Ukupna duljina cijevi

m093.4960337.0

6.41nd

AL

v

potr ⋅=⋅π⋅

=⋅π⋅

=

Dobiveni rezultat ne odstupa značajno od vrijednosti koje su pretpostavljene kod računanja prijelaza topline na strani dimnih plinova.

2.4. Izračunavanje promjera plašta

Vanjski promjer plašta računa se prema izrazu iz Wärmeatlasa (Ob6):

mm88.44143961.1tzftzfD 22

21T ⋅=⋅⋅=⋅⋅+⋅⋅=

z – broj cijevi cijevi 96nz ==

43t = – korak između cijevi

1.1f1 = – šahovski raspored cijevi

0f2 = – ovisi o broju prolaza (broj prolaza = 1)


Vanjski promjer plašta:

mm58.511821027.3388.441s2u2dDD 1vTv ⋅=⋅+⋅++=⋅+⋅++=

Plašt izmjenjivača izraditi će se savijanjem čeličnog lima na dimenzije:

mm516Dv ⋅= – vanjski promjer

mm500Du ⋅= – unutarnji promjer

mm8s ⋅= – debljina stijenke

Materijal plašta: Sitnozrnati konstrukcijski čelik ČRV 250

Na slici je prikazan smještaj cijevi u plaštu izmjenjivača (lijevo) i šahovski raspored cijevi (desno).

43

60°

33.7

Slika 2- Smještaj cijevi u plaštu – šahovski raspored


2.5. Odabir kompenzatora

Radi visokih toplinskih naprezanja koja bi nastala u izmjenjivaču topline zbog razlike u rastezanju između plašta izmjenjivača i cijevi kroz koje struje dimni plinovi, na plašt izmjenjivača se privaruju kompenzatori toplinskih naprezanja.

2.5.1. Toplinska naprezanja konstrukcije izmjenjivača bez kompenzatora:

Toplinska naprezanja uzrokuju produljenje:

Apsolutno produljenje:

Ll −=δ

Relativno produljenje:

Lδ

=ε

Prema Hook-ovom zakonu vrijedi:

EL

E ⋅δ

=⋅ε=σ AEFL

EL

⋅⋅

=σ⋅

=δ

U našem slučaju imamo produljenje cijevi i produljenje plašta:

cc

t

cc AE

FLE

L⋅⋅

=σ⋅

=δ (1)

pp

t

pp AE

FLE

L⋅⋅

=σ⋅

=δ (2)

( ) ( )[ ]pccppc tttL −⋅α+⋅α−α⋅=δ

( )ppcc ttL ⋅α−⋅α⋅=δ (3)

pc δ+δ=δ (4)

Uvrstimo li izraze (1), (2) i (3) u (4), slijedi:

Ft = PPCC

PPCCPPCC

AEAEAEAE)tt(

+⋅⋅⋅α−⋅α

(5)

S obzirom da je temperatura cijevi veća od temperatura plašta tc>tp, pa je i αc>αp


Bez kompenzatora, sila u konstrukciji (prema izrazu (5), zbog toplinskih naprezanja iznosi:

Ft = PPCC

PPCCPPCC

AEAEAEAE)tt(

+⋅⋅⋅α−⋅α

gdje je:

EC = 190 000 N/mm2 – modul elastičnosti materijala cijevi

EP = 210 000 N/mm2 – modul elastičnosti materijala plašta

Površina poprečnog presjeka cijevi izmjenjivača:

( ) ( ) 222

uvC mm8.24386

45.287.3396

4ddnA ⋅=

π⋅−⋅=

π⋅−⋅=

22

Površina poprečnog presjeka plašta izmjenjivača:

( ) ( ) 2222

u2

vP mm4.12767

4500516

4DDA ⋅=

π⋅−=

π⋅−=

αC = 12.66 μm/mK – temperaturni koeficijent rastezanja materijala cijevi

αP = 12.6 μm/mK – temperaturni koeficijent rastezanja materijala plašta

tC ≈ 271 °C – srednja temperatura stijenke cijevi

tP ≈ 230 °C – srednja temperatura stijenke plašta izmjenjivača

Ft= 1602221000024386.819000016022210000 24386.8190000)15.230106.1215.2711066.12( 66

⋅+⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅−⋅⋅ −−

Ft = 1038.670 kN

Toplinska naprezanja u cijevnom snopu, odnosno u plaštu izmjenjivača tada iznose:

σC = C

t

AF

= 24386.81038670

= 42.5915 N/mm2 = 42591500 N/m2 = 42.5915 MPa

σP = 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 ВИХМАН, Г. Л. , КРУГЛОВ) za unutarnji tlak izmjenjivača od 10 bara i unutarnji promjer plašta Du=500 mm iz tablica 17.6 do 17.9 na str. 363 - 367 izabran je valoviti kompenzator dimenzija [Slika 3]:

Materijal kompenzatora: Č 4574 (Prokron 12. Spec.)


Dn = 512 mm – nazivni promjer kompenzatora

DL = 662 mm – promjer kompenzatora na vrhu vala

s = 3 mm – debljina stijenke kompenzatora

R = 14 mm – radijus zakrivljenost

zL = 2 – odabrani broj valova

LV = 72 mm – duljina jednog vala

Ukupna sposobnost kompenzatora sastavljenog iz zL valova:

ΔK = ΔL ⋅ zL = 2 ⋅ 2 = 4 mm

ΔL – kompenzacijska sposobnost jednog vala kompenzatora

3

R14R14

144

72

5

Ø662

Ø51 2

Slika 3 – Valoviti kompenzator sa dva vala

2.5.3. Toplinska naprezanja konstrukcije izmjenjivača sa kompenzatorom:

Kada se kompenzator zavari za plašt izmjenjivača, sila u konstrukciji zbog toplinskih naprezanja prema ВИХМАН, Г. Л. , КРУГЛОВ iznosi:

Ft =

KPPCC

PPCC

Em

AEL

AEL

L)tt(

++

⋅⋅α−⋅α

gdje je:


m = zL ⋅ 3

2u11

sD)1(06.0

⋅π⋅β−⋅α⋅

= 47.8109 1/mm – parametar kompenzatora

β = Du/DL = 500/662 = 0.7553

α1 = f (β) = 0.55244

Du = 500 mm

s = 3 mm

zL = 2

EK = 210000 N/mm2 – modul elastičnosti materijala kompenzatora

Ft =

2100008109.47

12767.42100004150

24386.81900004150

4150)15.230106.1215.2711066.12( 66

+⋅

+⋅

⋅⋅⋅−⋅⋅ −−

≈ 9610 N

Ft = 9.61 kN

Toplinska naprezanja sa kompenzatorom tada iznose:

σC = C

t

AF

= 24386.8

9610= 0.394065 N/mm2 = 394065 N/m2 = 0.394065 MPa

σP = P

t

AF

= 12767.4

9610= 0.7527 N/mm2 = 752700 N/m2 = 0.7527 MPa

Produljenje kompenzatora iznosi:

δK = K

t

EFm ⋅

= 210000

96108109.47 ⋅ = 2.188 mm < ΔK

Produljenje kompenzatora je manje od ukupne sposobnosti kompenzatora ΔK=4 mm, tako da odabrani kompenzator zadovoljava.

2.6. Dimenzioniranje priključaka na izmjenjivaču

Dimni plinovi ulaze i izlaze u izmjenjivač cjevovodom sa donje, odnosno gornje strane, čije se prirubnice direktno spajaju sa cijevnom stijenkom izmjenjivača. Kako dimenzije cjevovoda za dovod dimnih plinova nisu dio ovoga rada, dimenzionirane su samo osnovne dimenzije priključaka za ulaz odnosno izlaz ulja, a koji se nalaze na plaštu izmjenjivača.

2.6.1. Cijevni nastavci na plaštu izmjenjivača (ulaz - izlaz ulja)

Cijevni nastavak za ulaz ulja u izmjenjivač nije spojen direktno na plašt izmjenjivača, nego se zavaruje na komoru za ulaz ulja.


Izlaz ulja je kroz cijevni nastavak istih dimenzija kao kod ulaza ulja, samo što je zavaren direktno na plašt.

Željena brzina medija kroz priključak:

sm5.1wpr ⋅=

sm02222.0

hm80V

33

U ⋅=⋅=

Površina presjeka priključka:

2

pr

Upr m01481.0

5.102222.0

wVA ⋅===

Promjer priključka:

m1373.001481.04A4d pr

pr ⋅=π

⋅=

π

⋅=

Iz IPIM-a odabrana je cijev priključka prema HRN C.B5.221 (čelična bešavna cijev):

− materijal Č.1214

− nazivni promjer DN 125

− vanjski promjer dv = 139.7 mm

− unutarnji promjer du = 131.7 mm

− debljina stijenke s = 4 mm

− masa m = 13.4 kg/m

Stvarna brzina :

22

u

Ustv s

m63.11317.0

402222.0d

4Vw ⋅=⋅π

⋅=

⋅π

⋅=

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 slijedeća svojstva :

materijal Č.1214

mjere prirubnice:

− DN 125

− d1 = 139.7 mm

− D = 250 mm

− b = 22 mm

brtvena površina:

− d4 = 188 mm

− f = 3 mm

− broj rupa : n = 8

− d2 = 18 mm


− k = 210 mm

− h1 = 55 mm

− d3 = 156 mm

− s = 4 mm

− r = 8 mm

− h2 = 12 mm

− vijci : M 16

masa prirubnice: m = 6.3 kg

2.7. Komora za ulaz ulja

Da bi se ulje koje ulazi u izmjenjivač što bolje rasporedilo po snopu cijevi, dovodi se cjevovodom do ulazne komore koja je zavarena za plašt izmjenjivača. Na plaštu izmjenjivača nalaziti se obodni otvor površine:

A = Du ⋅ π ⋅ α/360 ⋅ h = 0.5 ⋅ π ⋅ 56/360 ⋅ 0.1 = 0.024435 m2

gdje su:

Du – unutarnji promjer plašta izmjenjivača (m)

α – kutna duljina otvora

h – širina otvora (m)

Brzina strujanja ulja kroz otvor:

sm91.0

024435.0022222.0

AVw

otv

Uotv ⋅===

Ulazna komora je napravljena savijanjem čeličnog lima na dimenzije:

Dv = 262 mm – vanjski promjer

Du = 250 mm – unutarnji promjer

s = 6 mm – debljina stijenke

Materijal plašta ulazne komore:

Sitnozrnati konstrukcijski čelik ČRV 250


2.8. Minimalna debljina izolacije izmjenjivača

Zbog toplinskih gubitaka i visoke temperature vanjske stijenke, izmjenjivač je potrebno izolirati. Minimalna debljina izolacije od mineralne vune može se izračunati iz ravnoteže toplinskih tokova:

v

iz

iz

iz

u

vv

v stu stokv stv

DDln

2D

DDln

2D

tt)tt(

λ⋅+

λ⋅

−=−⋅α

gdje su:

tst v = 50 °C – temperatura vanjske stijenke izmjenjivača – nju želimo postići

tst u = 230 °C – približna temperatura unutarnje stijenke plašta izmjenjivača

tok = 20 °C – pretpostavljena temperatura okoliša

λ = 50 W/mK – očitano iz toplinskih tablica za čelik ČRV 250

λ = 0.035 W/mK – očitano iz toplinskih tablica za mineralnu vunu

αv = 10 W/m2K – pretpostavljen koeficijent prijelaza topline na vanjskoj strani izmjenjivača

Du = 0.5 m – unutarnji promjer plašta izmjenjivača

Dv = 0.52 m – vanjski promjer plašta izmjenjivača

Promjer izolacije izmjenjivača Diz dobiven iteracijom:

Diz = 0.56 m

Minimalna debljina izolacije: s = 0.02 m = 20 mm

Izmjenjivač je izoliran mineralnom vunom debljine 100 mm.


Documents

ZADATAK - FSB