Veeboileri soojuslik ja hüdrauliline projektarvutus (0)

Eesti Maaülikool
VLI
Toiduainetööstuse   tehnoloogilised protsessid ja üldseadmed
Veeboileri   soojuslik ja hüdrauliline  projektarvutus
Projektarvutus 
Koostaja : Maarja Laur
Juhendaja : Tauno Mahla
Tartu 2014
Sisukord
Sissejuhatus..........................................................................................................................................3
1. Temperatuuride  graafik ja keskmine logaritmiline temperatuuride  vahe........................................4
2. Vee keskmine temperatuur aparaadis  ja sellele vastavad vee füüsikalised omadused.....................5
3. Vee  voolukiirus  aparaadis.................................................................................................................5
4. Aparaadi  soojuskoormus ..................................................................................................................6
5. Auru kulu protsessi läbiviimiseks.....................................................................................................6
6. Soojusülekandetegur vee poolel.......................................................................................................7
7. Soojusülekandetegur kütteauru poolel.............................................................................................7
8. Soojusläbikandetegur k ja valitud toru seina temperatuuri kontroll.................................................8
9.   Boileri  küttepind ja peamised  ehituslikud näitajad..........................................................................8
10.  Boileri hüdrauliline arvutus...........................................................................................................9
10.1 Survekadu kohttakistuste ületamiseks boileris........................................................................9
10.2 Liinikaod  boileris...................................................................................................................12
10.3 Summaarne  survekadu boileris..............................................................................................12
10.4 Survekadu vee voolamisel väljaspool boilerit (Hsum)..........................................................12
10.5 Veepumba vajalik võimsus....................................................................................................14
Sissejuhatus
Töö   eesmärgiks   oli   selgitada   boileri   soojuslikud   ja  hüdraulilised  näitajad.   Lisaks  tuli   sooritada
küttepinna arvutused ning arvutada pumba tootmisvõimsus. 
Horisontaalselt    paikneva   veeboileri   tootlikus   oli    18000    kg/h   ning   24   kraadine   vesi   oli   tarvis
kuumutada 80 kraadini, kasutades selleks saja kraadist drosseldatud primaarauru.
Boileris olevate  torude  siseläbimõõt oli 25 millimeetrit ning välisläbimõõt 29 millimeetrit. 
Lisaks leiti pumba võimsus. 
1. Temperatuuride graafik ja keskmine logaritmiline temperatuuride 
vahe
 
Toote, milleks oli kuum vesi, puhul oli teada nii alg- kui ka lõpptemperatuur ning auru rõhk. Auru
temperatuur oli protsessis  konstantne . 
Vee alg- ja lõpptemperatuur (t1, t2) :
t1 = 24oc    
t2 = 80oc
Teades ainult auru rõhku, leiti sellele vastav temperatuur aurutabelist (Lisa 1)
pa= 1,033 ata
ta= 100oc
Arvutati keskmine logaritmiline temperatuuride vahe kütteauru ja vee vahel:
t2 
t 
t1
 ta  t1 
ln
  ; C  
 ta  t2 
∆t = 80-24 / ln (100- 24/100-80) = 56 / ln3,8 = 41,94 oc 
100oc
80oc
24oc
Joonis 1. Boileri töö temperatuuride graafik
2. Vee keskmine temperatuur aparaadis ja sellele vastavad vee 
füüsikalised omadused
 
Arvutati vee keskmine temperatuur:
tkesk = ta – t ; C
tkesk = 100 – 41,94 = 58,06oc 
Selle temperatuuri järgi leiti veetabelist (Lisa 2) järgmised näitajad:
Soojusjuhtivustegur   = 0,565 kcal /mCh
Tihedus (erikaal)  = 984,4 kg/m3
Erisoojus  c = 1,004 kcal/kgC
Kinemaatiline  viskoossus   = 0,462  10-6 m2/s
Prandtli  kriteerium  Pr = 3,12
3. Vee voolukiirus aparaadis
Kui vesi voolaks 1 torus korraga, avalduks voolukiirus:
G
w )1

2
3600     7
0 85 
  ; m/s
s
d
G – aparaadi  tootlikkus ; kg/h (lähteandmetes).
ds – toru siseläbimõõt; m (lähteandmetes, teisendada mm  m).
 – vee tihedus; kg/m3 (vt. Punkt 3).
Arvutati voolukiirus, kui vesi oleks voolanud ainult ühes torus.
G = 18000 kg/h
ds = 25 mm = 0,025 m 
 = 983,2 kg/m3
w(1) = 18000/3600*984,4*0,785*0,0252 = 18000/1738,696 = 10,35 m/s
Kuna sobivaim voolukiirus on vahemikus 1,5- 2 m/s, oli voolukiirus liiga suur selleks, et vesi oleks
võinud voolata ühes torus korraga. Liiga suure voolukiiruse (üle 3 m/s) korral suurenevad kulutused
veepumbale. Voolukiiruse alandamiseks pandi vesi paralleelselt voolama mitmes torus korraga.
w = w(1) /6 = 10,35/6 = 1,725 m/s ≈ 1,73 m/s  
Edaspidistes arvutustes kasutati  tegelikku  voolukiirust (w) ning arvestati, et antud juhul oli torude
arv käigus nk = 6.
4. Aparaadi soojuskoormus
Leiti  veele  üleantav vajalik soojushulk:
Q = G  c  (t2 - t1) ; kcal/h
Q = 28000 * 1,004 * (80-24) = 1 574 272 kcal/h
5. Auru kulu protsessi läbiviimiseks
Leiti kütteauru (drosseldatud primaaraur) kulu kuuma vee tootmiseks.

Q
D 
 ; kg/h
i  tk
i – auru soojasisaldus; kcal/kg (aurutabelist ta järgi).
tk – aurust tekkiva  kondensaadi  temperatuur, orienteeruvalt:
t 2  t
t
a
k 
 ; C.
2
 – boileri soojuslik kasutegur (0,85–0,95). Selles töös  = 0,90.
tk = 80 + 100 / 2 = 180/2 = 90 oc
D =  1 574 272 / (639,4- 90) * 0,9 = 1 574 272 / 494,46 = 3183,82 kg/h  
Auru erikulu 1 kg vee kohta:
D
ma 
 ; kg/kg
G
ma = 3183,82/18000 = 0,176 kg/kg
6. Soojusülekandetegur vee poolel
Leiti soojusülekandetegur (2) toru seinalt torus voolavale veele.
a) Reynoldsi kriteerium veele:
w  d
Re 
s

Re = 1,73*0,025/ 0,462  10-6 = 93 614, 71 – Turbulentne voolurežiim. 
b) Nusselti kriteerium:
Nu = 0,023  Re 0,8  Pr 0,4
Nu = 0,023 * 93 614,710,8 * 3,120,4 = 0,023 * 9485,82 * 1,57 = 342,53
c)  Soojusülekandetegur 2 :
Nu 


2 
 ; kcal/m2 Ch
s
d
 – vee soojusjuhtivustegur
α2 = 342,53 * 0,565 / 0,025 = 193,53 / 0,025 = 7741,2
7. Soojusülekandetegur kütteauru poolel
Leiti soojusülekandetegur (1) aurult toru seinale.
a) Valiti ette toru seina temperatuur ts :
ts = ta – (5…15) ; C
ts= 100 – 15 = 85 oc 
b) Arvutati orienteeruv kondensaadi kile temperatuur:
tk = 0,5  (ta + ts) ; C
tk = 0,5 * (100+85) = 92,5 oc 
Nimetatud temperatuuri järgi leiti kondensaadi kile omaduste kohta tegur A.
Tabel 1. Kondensaadi kile omaduste tegurid.
tk ; C           60                 80            100             120 
          
            A                1900            2070          2190            2300
A = 2145
c)   Arvutati soojusülekandetegur 1
Aparaadi asend horisontaalne:
r
4
1  7
0 2  A
 ; kcal/m2 Ch
v
d  t
 k
α1 = 0,72 * 2145 * 4√539,4/0,029*10 = 0,72 * 2145 * 6,57 = 10 146, 71
r – vee  aurustumissoojus ; kcal/kg (leitakse aurutabelist ta järgi). 
h – torude kõrgus aparaadis; m (valitakse ette piiridest 1,0–1,4 m).
tk – temperatuuride vahe kütteauru ja toru seina vahel (tk = ta – ts); C.
dv – toru välisläbimõõt; m.
8. Soojusläbikandetegur k ja valitud toru seina temperatuuri kontroll
Soojusläbikandetegur arvutatakse järgmise valemiga:
1
k  1
s


 1  ; kcal/m2 Ch
1 s 2
s – toru seina paksus; m, mis leitakse toru sise- ja välisläbimõõtude kaudu.
s – toru seina materjali soojusjuhtivustegur; kcal/m Ch.
K = 1 / (1/10 146, 71 + 0,002/44 + 1/7741,2) = 1 / (0,0000985+0,0000454+0,0001292) = 
= 1/0,0002731 = 3661,66  kcal/m2 Ch
Järgnevalt kontrolliti valitud toru seina temperatuuri õigsust (vt. punkt 8 a):
k  t
ts  ta  1  ; C
t – keskmine logaritmiline temperatuuride vahe; C (vt. punkt 2).
ts = 100 – 3661,66*41,94/ 10 146, 71 = 100- 15,13 = 84,87 C
9.  Boileri küttepind ja peamised ehituslikud näitajad
Soojusvaheti vajalik küttepinna suurus arvutati järgmise valemiga:
Q
F  k   ; m2
t
F = 18000 /  3661,66* 41,94 =  1 574 272/153 570,02 = 10,25  m2
Ehituslikud näitajad
a) Teada on boileris kasutatavate torude sise- ja välisläbimõõdud ds ja dv; m.
ds = 0,025 m
dv = 0,029 m
b) Teada on ka torude arv käigus nk (vt. Punkt 4).
nk = 6 
c)   Horisontaalse  asendiga aparaadi puhul tuleb torude pikkus l ette valida (1–1,5 m).
l = 1,3 m 
d) Torude summaarne pikkus boileris:
F
L    ; m
dv
L = 10,25 / π * 0,029 = 10,25 / 0,091 = 112,63 m
e) Üldine torude arv boileris:
L
L
nü 
    või     nü 
   (ümardada täisarvuni)
l
h
nü = 112,63/1,3 = 86,63  87
f)  Käikude arv boileris:
n
z
ü

   (ümardada täisarvuni)
nk
z = 87 / 6 = 14,5  15 
Tegelik torude arv nü = 6*15 = 90
g) Boileri silindrilise väliskesta läbimõõt sõltub aparaadi tootlikkusest, torude arvust, läbimõõdust
jm. näitajatest (Dk = 0,3–0,6 m).
Dk = 0,4 m 
10.  Boileri hüdrauliline arvutus
Boileri hüdraulilise  arvutuse  eesmärgiks oli leida veepumba vajalik võimsus ja tekitatav surve, mis
kindlustaks etteantud tootlikkuse ja vee voolukiiruse ning kataks aparaadis ja ühendustorustikus
(liinis) tekkivad  survekaod (rõhukaod).
10.1 Survekadu kohttakistuste ületamiseks boileris
a) Vee sisse- ja väljavoolu ava  ristlõikepind :
f
2
1 = 0,785  ds  ; m2
f1 = 0,785 * 0,0252 = 0,00049 m2 
b) Ühe käigu jaotuskarbi ristlõikepind:
                        
0
 D 2
785
f
k
2 
 ; m2
z
f2 = 0,785 * 0,42 / 15 = 0,0083 m2
c)  Ühte  käiku kuuluvate torude ristlõikepind:
f3 = f1  nk ; m2
f3 = 0,00049 * 6 = 0,00294 m2
d) Kohttakistustegur vee sissevoolul esimesse jaotuskarpi:
                     
2

f 1 
1  1
 

f 2


ξ1 = (1 -  0,00049/0,0083)2 = (1 – 0,059)2 = 0,88
e)  Kohttakistustegurid vee sissevoolul jaotuskarbist torudesse:
Kohttakistustegurid 2 leiti suhte f3 / f2 järgi tabelist 2.
f3 / f2 =  0,00294/0,0083 = 0,35
2 = 0,36 
Tabel 2. Kohttakistustegurite 2 ja 4 leidmine.
f)  Kohttakistustegurid vee väljavoolul torudest jaotuskarpi:
                      
2

f 3 
 3  1
 

f 2



2
3 = (1   0
– ,35)  = 0,652 = 0,42
g) Kohttakistustegur vee väljavoolul viimasest jaotuskarbist:
Kohttakistustegur 4 leiti suhte f1 / f2 järgi tabelist 1.
f1 / f2 = 0,059 ≈ 0,06 
4 = 0,48
h) Kiiruse surve:
              
w2
Hw 
 ;   m (H
2  g
2O) 
w – vee voolukiirus torudes; m/s (vt. punkt 4).
g – raskuskiirendus ; m/s2 (9,81).
Hw = 1,732 / 2*9,81 = 2,99 / 19,62 = 0,15 m 
i) Survekadu kohttakistuste ületamiseks:
 
H ' k    Hw  ; m
  1  2  z  3  z  4   (kohttakistustegurite summa).
∑  =
  0,88 + 0,36*15 + 0,42*15 + 0,48 = 13,06
H'k = 13,06*0,15 = 1,96 m
j)  Survekadu voolusuuna muutustele boileris:
H ' ' k    z  
1  Hw  ; m
z – käikude arv (vt. punkt 10f)
 – takistustegur voolusuuna muutumisel 180  all (1,1)
H' k = 1,1*(15 – 1)*0,15 = 2,31 m 
k) Summaarne survekadu kohttakistuste ületamiseks:
Hk = H’k + H’’k ; m
Hk = 1,96 + 2,31 = 4,27 m 
10.2 Liinikaod boileris
L
Hl    Hw 
 ; m
ds
  0,3164    (liini takistustegur boileris).
4 Re
 
Re – vt. punkt 7 a.
L – torude summaarne pikkus boileris; m. 
L = nü  l   või  L = nü  h ; m
nü – üldine torude arv
l (h) – ühe toru pikkus (või kõrgus); m (vt. punkt 10).
 = 0,3164 / 4√93 614, 71 = 0,3164 / 17,49 = 0,018 
L = 87 * 1,3 = 113,1 m 
Hl = 0,018 * 0,15 * (113,1 /  0,025) = 12,21 m 
10.3 Summaarne survekadu boileris
Hap = Hk + Hl + Hw; m
Hap =  4,27 + 12,21 + 0,15 = 16,63 m
10.4 Survekadu vee voolamisel väljaspool boilerit (Hsum)
Siin võeti arvesse survekadu boilerit ühendavates  torustikes  (liinis). Liinitorustiku siseläbimõõt Ds
valiti selline, et vee voolukiirus liinis oleks vahemikus 1–2 m/s.
G
w 
 ; m/s
2
3600    785
0
 s
D
Voolukiiruseks väljaspool boilerit võeti 2 m/s, mille järgi liinitorustiku siseläbimõõt oli 0,056 m.  
w = 2 m/s
2 = 18000 / 3600 * 996,6 * 0,785 * D 2s
D 2 
s = 9000 / 3600 * 996,6 * 0,785 = 9000 / 2816391,6 = 0,00319
Ds = 0,056 m 
Re = w * d / ν
ν = 0,928 * 10-6 m2/s
Re = 2 * 0,056 / 0,928 * 10-6 = 120 689,6
 =
  0,316 / 4√Re
 =
  0,316 / 4√120 689,6 = 0,0169 
hw = w2 / 2 * g
hw = 22 / 2*9,81 = 4 / 19,62 = 0,204 m
Lekv = Σ(n * d * m)
Lekv = (20 * 0,056) + (8 * 30 * 0,056) + (3 * 75 * 0,056) + (250 * 0,056) + (75 * 0,056) +   
+ (40 * 0,056) = 47,60 m 
 Tabel 3. Kohttakistuste ümberarvutustegurid
KOHTTAKISTUS
ÜMBERARVUTUSTEGUR m
Põlvis 90◦
d = 10...64 mm 
30
d = 76...152 mm
40
Kolmikkraan 
60...90 (Siin töös 75)
Pöördklapp
75
Sissevool  torusse
20
Väljavool  torust
40
Vooluhulga  mõõtja
200...300 (Siin töös 250)
hl+k =   * ((L

 + Lekv) / d) * (w2 / 2 * g)
L = 40 m 
hl+k = 0,0169 * ((40 + 47,60) / 0,056) * 0,204 = 5,39 m 
hg = 14 m
Hsum = hl+k + hg + hw
Hsum = 5,39 + 14 + 0,204 = 19,594 m 
Joonis 2. Liini asendiskeem 
10.5 Veepumba vajalik võimsus
G   ap
H  s
H um
N 
 ,
1 2  ; kW
3600 102 
 – pumba kasutegur = 0,65.
N = (18000 * (16,63 + 19,594) / 3600 * 102 * 0,65) * 1,2 = 652032 / 238680 * 1,2 = 3,27 kW  
Lisa 1
Küllastunud auru omadused
Temperatuur
Rõhk
Erimaht          v,
Entalpia
Aurustumis -
  t,  C
 p, ata
m3/kg
(soojasisaldus)
soojus
i, kcal/kg    
 r, kcal/kg
20
0,0238
25 
0,0323
30
0,0433
35
0,0573
40
0,0752
19,55
613,5
573,5
45
0,0977
15,28
615,7
570,7
50
0,1258
12,05
618,0
568,0
55
0,1605
9,589
620,0
565,2
60
0, 2031
7,687
622,5
562,5
65
0, 2550
6,209
624,7
559,7
70
0,3177
5,052
626,8
556,8
75
0,393
4,139
629,0
554,0
80
0,483
3,414
631,1
551,2
85
0,590
2,832
633,2
548,2
90
0,715
2,365
635,3
545,3
95
0,862
1,985
637,4
542,4
100
1,033
1,675
639,4
539,4
105
1,232
1,421
641,3
536,3
110
1,461
1,212
643,3
533,1
115
1,724
1,038
645,2
530,0
170
8,080
662,4
490,6
180
10,23
664,6
482,3
190
12,80
666,4
473,5
200
15,85
667,7
464,2
210
19,55
668,6
454,4
Lisa 2
Vee füüsikalised omadused
Temperatuur
t, ºC
Tihedus Erisoojus
Soojusjuhtivus  Kinemaatiline Pr
, kg/m3
c, kcal/kgºC
tegur
viskoossus
 , kcal/mºCh
10-6, m2/s
 
0
999,8
1,012
0,474
1,790
13,7
5
999,7
1,009
0,484
1,540
11,3
10
999,6
1,006
0,494
1,300
9,56
15
998,9
1,005
0,504
1,100
8,15
20
998,2
1,004
0,515
1,000
7,06
25
996,9
1,004
0,523
0,910
6,20
30
995,6
1,003
0,531
0,805
5,50
35
993,9
1,003
0,538
0,720
4,85
40
992,2
1,003
0,545
0,659
4,30
45
990,1
1,003
0,551
0,615
3,90
50
988,0
1,003
0,557
0,556
3,56
55
985,6
1,003
0,562
0,515
3,25
60
983,2
1,004
0,567
0,479
3,00
65
980,5
1,005
0,571
0,445
2,75
70
977,7
1,006
0,574
0,415
2,56
75
974,8
1,006
0,577
0,385
2,35
80
971,8
1,007
0,580
0,366
2,23
85
968,5
1,008
0,583
0,347
2,10
90
965,3
1,009
0,585
0,326
1,95
95
961,8
1,009
0,586
0,310
1,85
100
958,3
1,010
0,587
0,295
1,75

Document Outline

• Sissejuhatus
• 1. Temperatuuride graafik ja keskmine logaritmiline temperatuuride vahe
• 2. Vee keskmine temperatuur aparaadis ja sellele vastavad vee füüsikalised omadused
• 3. Vee voolukiirus aparaadis
• 4. Aparaadi soojuskoormus
• 5. Auru kulu protsessi läbiviimiseks
• 6. Soojusülekandetegur vee poolel
• 7. Soojusülekandetegur kütteauru poolel
• 8. Soojusläbikandetegur k ja valitud toru seina temperatuuri kontroll
• 9. Boileri küttepind ja peamised ehituslikud näitajad
• 10. Boileri hüdrauliline arvutus
  • 10.1 Survekadu kohttakistuste ületamiseks boileris
  • 10.2 Liinikaod boileris
  • 10.3 Summaarne survekadu boileris
  • 10.4 Survekadu vee voolamisel väljaspool boilerit (Hsum)
  • 10.5 Veepumba vajalik võimsus
  • Tihedus
  • Erisoojus
  • Soojusjuhtivus tegur
  • Kinemaatiline
  • Pr