Расчет теплообменных аппаратов (проектный и поверочный)

Различают проектный и поверочный расчеты теплообменников.

Целью проектного расчета является определение необходимой поверхности теплообмена и режима работы теплообменника для обеспечения заданного переноса теплоты от одного теплоносителя к другому. Задачей поверочного расчета является определение количества передаваемой теплоты и конечных температур теплоносителей в данном теплообменнике с известной поверхностью теплообмена при заданных условиях его работы. Эти расчеты основываются на использовании уравнений теплопередачи и тепловых балансов.

При проектном расчете теплообменного аппарата обычно заданы расход одного из теплоносителей, его начальная и конечная температуры, а также начальная температура другого теплоносителя.

Q=G 1 (I t1 -I t2) ·з=G 2 (I t3 -I t4)

G 1, G 2 - количества горячего и холодного теплоносителя, кг/ч

I t1, I t2 - энтальпия горячего теплоносителя при температурах входа и выхода из аппарата, ккал/кг

з -КПД теплообменника, практически равен 0,95- 0,97

I t3, I t4 - энтальпия холодного теплоносителя при температурах входа и выхода из аппарата, ккал/кг

2. Поверхность теплообменника определяется из основного уравнения теплопередачи:

Q=KFt ср F=Q/Kt ср

где F- поверхность теплообменника, м2

К-коэффициент теплопередачи, ккал/м 2 ·ч ·град

t ср - средняя логарифмическая разность температур

3. Коэффициент теплопередачи определяется расчетным путем или принимается на основание практических данных в зависимости от температурного режима работы аппарата и потоков продуктов поступающих в аппарат.

4. Необходимое число типовых теплообменников вычисляется по формуле:

где F - расчетная поверхность теплообменника, м 2 .

F 1 - поверхность теплообмена одного стандартного теплообменника, м 2 .

5. Средняя разность температур в случае противотока и прямотока выражается:

t ср =(Дt в - Дt н)/(2,3lg Дt в /Дt н)

где Дt в - высшая разность температур между потоками у концов теплообменного аппарата

Дt н - низшая разность температур между потоками у концов теплообменного аппарата

Также, если отношение наибольшей разности температур к наименьшей меньше или равно двум, то среднюю разность температур определяют:

t ср = (Дt в +Дt н)/2

6. При перекрестном и смешенном токе tср равно:

t ср =е t ср.прот.

где е - поправочный коэффициент, учитывающий отличие перекрестного и смешенного тока от противотока; t ср. прот. - разность температур противотока.

Поверочный расчет теплообменника с известной поверхностью теплопередачи заключается, как правило, в определении количества передаваемой теплоты и конечных температур теплоносителей при их заданных начальных значениях и заданных расходах. Необходимость в таком расчете может возникнуть, например, если в результате проектного расчета был выбран нормализованный аппарат со значительным запасом поверхности, а также при проектировании сложных последовательно-параллельных схем соединения стандартных теплообменников. Поверочные расчеты могут понадобиться также для выявления возможностей имеющегося аппарата при переходе к проектным режимам работы.

Пластинчатые теплообменники в системах холодоснабжения. Требование высокого коэфиициента теплопередачи -максимальное сближение температур входа/выхода - главная черта аппаратов, используемых в системах охлаждения, таких как холодильные склады и системы вентиляции. Благодаря богатому опыту Alfa Laval в профилировании пластин, разница между температурами покидающих аппарат потоков достигает 0,5 °С. В добавление следует заметить что эта разница достигается при одном проходе жидкости через аппарат с четырьмя патрубками на передней стороне аппарата, что максимально упрощает монтаж и обслуживание теплообменника. Централизованное охлаждение (кондиционирование) Основной компонент системы централизованного охлаждения это источник холода, обычно холодильник. Вода или гликолевый раствор охлаждаются в испарителе, а теплота отводится на стороне конденсации в конденсаторе. Использование пластинчатого теплообменника как в горячем контуре, так и в холодном контуре испарителя обеспечивает реальные преимущетва. Конденсатор может быть например охлаждаться каким-либо открытым источником охлаждения, например морской или речной водой. Однако зачастую агрессивная среда такого открытого источника может повредить само оборудование холодильника. Пластинчатый теплообменник, расположенный между двумя средами позволит решить эту проблему. В контуре испарителя пластинчатый теплообменник может применяться для разделения двух чистых холодных контуров выполняя функции защиты оборудования от высокого давления (т.н. гидравлическую развязку). Прямое охлаждение. Прямое охлаждение является экологически чистым направлением утилизации тепловой энергии. Обеспечивая лучшее использование холодильного оборудования оно создает экологически чистый источник холода. Оно создает удобства и комфорт для пользователя, повышает резервные возможности оборудования, снижает потребность в техническом обслуживании и экономит место, используемое для установки оборудования. Кроме того, оно снижает инвестиционные расходы и повышает универсальность системы. Использование пластинчатых теплообменников в системе прямого охлаждения обеспечивает нейтрализацию перепадов давления между контурами. Широкий диапазон теплообменников Alfa Laval, обладающих различными характеристиками, гарантирует возможность оптимальных техинческих решений практически для любых целей, связанных с созданием комфортного микроклимата. Материал пластин, уплотнений и патрубков Пластины могут быть изготовлены из любого пригодного к штамповке материала. Наиболее часто используются для этого нержавеющие стали AISI 304, AISI 316 и титан. Уплотнения также могут быть изготовлены из широкого диапазона самых разнообразных эластомеров, но наиболее часто они изготавливаются из нитрила и EPDM. Резьбовые патрубки делают из нержавеющей стали или титана, а также, для аппаратов типа M6 и из углеродистой стали. Фланцевые присоединения могут быть без кольцевой прокладки или снабжаться прокладкой из резины, нержавеющей стали, титана или других сплавов в зависимости от модели. Максимальные давления и температуры Все модели выпускаются с рамами различной конструкции и могут быть укомплектованы различными видами пластин с разной толщиной и рисунком в зависимости от расчетного давления. Максимальная температура на которую рассчитан аппарат зависит от материала из которого сделаны уплотнения.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

хорошую работу на сайт">

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки РФ

Иркутский национальный исследовательский технический университет

Кафедра теплоэнергетики

Расчетно-графическая работа

по дисциплине «Тепломассообменное оборудование ТЭС и промпредприятий»

на тему: «Тепловой поверочный расчет кожухотрубного и пластинчатого теплообменников»

Вариант 15

Выполнил: студент гр. ПТЭб-12-1

Распутин В.В.

Проверил: доцент кафедры ТЭ Картавская В. М.

Иркутск 2015г.

ВВЕДЕНИЕ

1. Расчет тепловой нагрузки теплообменного аппарата

2. Расчет и выбор кожухотрубных теплообменников

3. Графо-аналитический метод определения коэффициента теплопередачи и поверхности нагрева

4. Расчет и выбор пластинчатого теплообменника

5. Сравнительный анализ теплообменных аппаратов

6. Гидравлический расчет кожухотрубных теплообменников, трубопроводов воды и конденсата, выбор насосов и конденсатоотводчика

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

В работе приводится расчет и выбор двух видов теплообменников кожухотрубного и пластинчатого.

Кожухотрубные теплообменники представляют собой аппараты, выполненные из пучков труб, собранных при помощи трубных решеток, и ограниченные кожухами и крышками со штуцерами. Трубное и межтрубное пространства в аппарате разобщены, а каждое из этих пространств может быть разделено при помощи перегородок на несколько ходов. Перегородки устанавливаются с целью увеличения скорости, а, следовательно, и интенсивности теплообмена.

Теплообменники этого типа предназначаются для теплообмена между жидкостями и газами. В большинстве случаев пар (греющий теплоноситель) вводится в межтрубное пространство, а нагреваемая жидкость протекает по трубкам. Конденсат из межтрубного пространства выходит к конденсатоотводчику через штуцер, расположенный в нижней части кожуха.

Другой вид - пластинчатые теплообменные аппараты. В них поверхность теплообмена образована набором тонких штампованных гофрированных пластин. Эти аппараты могут быть разборными, полу-разборными и неразборными (сварными).

В пластинах разборных теплообменников имеются угловые отверстия для прохода теплоносителей и пазы, в которых закрепляются уплотнительные и компонующие прокладки из специальных термостойких резин.

Пластины сжимаются между неподвижной и подвижной плитами, таким образом, что, благодаря прокладкам между ними, образуются каналы для поочередного прохода горячего и холодного теплоносителей. Плиты снабжены штуцерами для присоединения трубопроводов.

Неподвижная плита крепится к полу, пластины и подвижная плита - закрепляются в специальной раме. Группа пластин, образующих систему параллельных каналов, в которых данный теплоноситель движется только в одном направлении, составляет пакет. Пакет по существу аналогичен одному ходу по трубам в многоходовых кожухотрубных теплообменниках.

Цель работы - произвести тепловой и поверочный расчет кожухотрубных и пластинчатого теплообменников.

Для этого необходимо:

рассчитать тепловую нагрузку теплообменного аппарата;

рассчитать и выбрать:

кожухотрубные теплообменники из стандартного ряда;

пластинчатый теплообменник из стандартного ряда.

Задание выполнить тепловой поверочный расчет кожухотрубных и пластинчатого теплообменников.

Исходные данные:

Теплоноситель:

греющий - сухой насыщенный пар;

нагреваемый - вода.

Параметры греющего теплоносителя:

давление Р 1 = 1,5 МПа;

температура t 1к = t н.

Параметры нагреваемого теплоносителя:

расход G 2 = 80 кг/с;

температура на входе t 2н = 40С;

температура на выходе t 2к = 170С.

Расположение труб вертикальное.

1. Расчет тепловой нагрузки теплообменного аппарата

Тепловая нагрузка из уравнения теплового баланса

,

кожухотрубный теплообменник пластинчатый нагрев

где - теплота, переданная греющим теплоносителем (сухим насыщенным паром), кВт; - теплота, воспринятая нагреваемым теплоносителем (водой), кВт; КПД теплообменника, учитывающий потери теплоты в окружающую среду.

Уравнение теплового баланса при изменении агрегатного состояния одного из теплоносителей

,

где, соответственно расход, теплота парообразования и температура насыщения сухого насыщенного пара, кг/с, кДж/кг, С; - температура переохлаждения конденсата, С; теплоемкость конденсата греющего теплоносителя, кДж/(кг·К); - соответственно расход и удельная теплоемкость нагреваемой воды, кг/с и кДж/(кг·К) при средней температуре; - соответственно начальная и конечная температуры нагреваемой воды, С.

По давлению греющего теплоносителя Р 1 = 1,5 МПа определяем по температуру насыщения t н = 198,3С и теплоту парообразования r = 1946,3 кДж/кг.

Определяющая температура конденсата

С.

Теплофизические параметры конденсата при =198,3С из :

плотность 1 = 1963,9 кг/м 3 ;

теплоемкость = 4,49 кДж/(кг·К);

теплопроводность 1 = 0,66 Вт/(м·К);

динамический коэффициент вязкости 1 =13610 -6 Пас;

кинематическая вязкость н 1 = 1,5610 -7 м 2 /с;

число Прандтля Pr 1 =0,92.

Определяющая температура воды

С.

Теплофизические параметры воды при = С из :

плотность 2 = 1134,68 кг/м 3 ;

теплоемкость = 4,223 кДж/(кг·К);

теплопроводность 2 = 0,68 Вт/(м·К);

динамический коэффициент вязкости 2 = 26810 -6 Пас;

кинематическая вязкость н 2 = 2,810 -7 м 2 /с;

число Прандтля Pr 2 = 1,7.

Теплота, воспринятая нагреваемой водой без изменения агрегатного состояния

Теплота, переданная сухим насыщенным паром при изменении агрегатного состояния

МВт.

Расход греющего теплоносителя

кг/с.

Выбор схемы движения теплоносителей и определение среднего температурного напора

На рис.1 представлен график изменения температур теплоносителей по поверхности теплообменника при противотоке.

Рисунок 1 - График изменения температур теплоносителей по поверхности теплообмена при противотоке

В теплообменном аппарате происходит изменение агрегатного состояния греющего теплоносителя, следовательно, средний логарифмический температурный напор находится по формуле

.

С,

где C- большая разность температур двух теплоносителей на концах теплообменника; C - меньшая разность температур двух теплоносителей на концах теплообменника.

Принимаем ориентировочное значение коэффициента теплопередачи

ор =2250 Вт/(м 2 ·К).

Тогда из основного уравнения теплопередачи ориентировочная площадь поверхности теплообмена

м 2 .

2. Расчет и выбор кожухотрубных теплообменников

Между труб в кожухотрубном теплообменнике движется греющий теплоноситель - конденсирующийся сухой насыщенный пар, в трубах - нагреваемый теплоноситель вода, коэффициент теплоотдачи конденсирующегося пара выше, чем у воды.

Выбираем вертикальный сетевой подогреватель типа ПСВК-220-1,6-1,6 (рис.2) .

Основные размеры и технические характеристики теплообменника:

Диаметр корпуса D = 1345 мм.

Толщина стенки = 2 мм.

Наружный диаметр труб d = 24 мм.

Число ходов теплоносителя z = 4.

Общее число труб n = 1560.

Длина труб L = 3410 мм.

Площадь поверхности теплообмена F = 220 м 2 .

Выбран вертикальный подогреватель сетевой воды ПСВК-220-1,6-1,6 (рис. 4) с поверхностью теплообмена F = 220 м 2 .

Условное обозначение теплообменника ПСВК-220-1,6-1,6: П подогреватель; С сетевой воды; В вертикальный; К для котельных; 220 м 2 - площадь поверхности теплообмена; 1,6 МПа - максимальное рабочее давление греющего сухого насыщенного пара, МПа; 1,6 МПа - максимальное рабочее давление сетевой воды.

Рисунок 2 - Схема вертикального подогревателя сетевой воды типа ПСВК-220: 1 - распределительная водяная камера; 2 - корпус; 3 - трубная система; 4 - малая водяная камера; 5 - съемная часть корпуса; А, Б - подвод и отвод сетевой воды; В - вход пара; Г - отвод конденсата; Д - отвод воздушной смеси; Е - слив воды из трубной системы; К - к дифманометру; Л - к указателю уровня

В корпусе имеется нижний фланцевый разъем, что обеспечивает доступ к нижней трубной доске без выемки трубной системы. Применена однопроходная схема движения пара без застойных зон и завихрений. Усовершенствована конструкция пароотбойного щита и его крепление. Введен непрерывный отвод паровоздушной смеси. Введен каркас трубной системы, за счет чего повышена ее жесткость. Параметры указаны для латунных теплообменных труб при номинальном расходе сетевой воды и при указанном давлении сухого насыщенного пара. Материал труб - латунь, нержавеющая сталь, медноникилевая сталь.

Так как в теплообменнике происходит пленочная конденсация пара на наружной поверхности вертикально расположенных труб, воспользуемся следующей формулой коэффициента теплоотдачи от конденсирующегося сухого насыщенного пара к стенке из :

Вт/(м 2 К),

где = 0,66 Вт/(мК) - коэффициент теплопроводности насыщенной жидкости; = кг/м 3 - плотность насыщенной жидкости при С; Пас - коэффициент динамической вязкости насыщенной жидкости.

Определим коэффициент теплоотдачи для трубного пространства (нагреваемый теплоноситель - вода).

Для определения коэффициента теплоотдачи необходимо определить режим течения воды по трубкам. Для этого вычисляем критерии Рейнольдса :

,

где d вн = d-2 = 24-22 = 20 мм = 0,02 м - внутренний диаметр трубок; n = 1560 - общее число трубок; z = 4 - число ходов; Пас динамический коэффициент вязкости воды.

= 10 4 - режим течения турбулентный, тогда критерий Нуссельта из

,

Коэффициент теплоотдачи от стенки к нагреваемому теплоносителю

Вт/(м 2 К),

где Вт/(м 2 К) - коэффициент теплопроводности воды при С.

Определим скорость воды:

Проверка температуры стенки:

Принимаем, что трубы изготовлены из латуни, коэффициент теплопроводности ст = 111 Вт/(м·К) по .

По наибольшему значению коэффициента теплоотдачи от пара к стенке определяем коэффициент теплопередачи:

Вт/(м 2 К).

Определяем площадь поверхности теплообмена:

м 2 ,

где МВт - теплота, переданная греющим теплоносителем; С - средний температурный напор.

Запас:

.

3. Графо-аналитический метод определения коэффициента теплопередачи и поверхности нагрева

Коэффициент теплопередачи определяем графо-аналитическим методом, для чего предварительно находим для различных участков перехода теплоты зависимость между плотностью теплового потока q и перепадом температур t.

а) Передача тепла от пара к стенке.

Коэффициент теплоотдачи определяем по формуле

где H=3,41м - высота трубок в одном ходе.

Для найденного значения 1 определяем плотность теплового потока

Задавшись рядом значений, вычисляем соответствующие им величины и:

Связь между q 2 и t 2 изображается графически прямой линией (рис. 3).

в) Передача теплоты через накипь

где нак =3,49 Вт/(мС) - теплопроводность накипи; толщина накипи.

Задавшись рядом значений, вычисляем величину:

Строим кривую рис. 3.

Складывая ординаты четырех зависимостей, строим суммарную кривую температурных перепадов. Из точки m на оси ординат, соответствующей, проводим прямую, параллельную оси абсцисс до пересечения ее с суммарной кривой. Из точки пересечения n опускаем перпендикуляр n на ось абсцисс и находим значение q=49500 Вт/м 2 .

Рисунок 3 - Зависимость теплового напряжения поверхности нагрева от температурного напора

При этом коэффициент теплопередачи

Поверхность нагрева теплообменника

4. Расчет и выбор пластинчатого теплообменника

Выбираю стандартный теплообменник (рис.4, табл. 2.13 ).

Параметры теплообмена и основные параметры разборных пластинчатых теплообменников (по ГОСТ 15518-83) со следующими характеристиками:

площадь поверхности теплообмена F=250м 2 ;

площадь платины f=0,6м 2 ;

количество пластин N=420;

эквивалентный диаметр канала d э =8,3мм;

приведенная длина канала L=1,01м;

поперечное сечение канала S=0,00245м 2 .

Условное обозначение теплообменника ТПР-0,6Е-250-1-2-10 (рис.4): Т - теплообменник; П - пластинчатый; Р - разборный; 0,6 м 2 - площадь одной пластины; Е - тип пластин; 250м 2 - площадь поверхности теплообмена; 1 - на консольной раме; 2 - марка материала; 10 - марка материала прокладки.

Скорость жидкости в каналах найдем по формуле

м/с,

где кг/с - расход нагреваемого теплоносителя; кг/м 3 - плотность воды при = 105?С; N = 420 - количество пластин аппарата; S = 0,00245м 2 поперечное сечение канала.

Рисунок 4 - Разборный пластинчатый теплообменник типа ТПР-0,6Е-250-1-2-10

;

Критерий Нуссельта

;

Коэффициент теплоотдачи к воде рассчитывается по формуле

Вт/(м 2 К).

Определяем значение Температура стенки t ст =(t н +/2=(198,3+170)/2=184,2. Тогда

При этом критерий Рейнольдса рассчитывается по формуле

Коэффициент теплоотдачи от сухого насыщенного пара к стенке

Вт/(м 2 К),

где = 240 коэффициент, зависящий от типа (площади) пластины, при f=0,6м 2 .

Теплопроводность нержавеющей стали л = 111 Вт/(мК).

Тогда значение коэффициента теплопередачи составит

Вт/(м 2 К).

Уточняем значение

Температура стенки составит

Так как полученное значение температуры стенки мало отличается от принятого, то рассчитываем поверхность теплообмена.

Требуемая поверхность теплообмена

м 2 ;

Запас поверхности составит

.

5 . Сравнительный анализ теплообменных аппаратов

Сравнивая выбранные кожухотрубные и пластинчатый теплообменники, можно сделать вывод, что пластинчатый теплообменник предпочтительнее, особенно по габаритам, так как длина канала у пластинчатого L=1,01 м, а кожухотрубных L=3,41м.

Пластинчатые теплообменники экономически выгодны и по эксплуатационным показателям превосходят лучшие кожухотрубные .

Таким образом, можно сделать вывод, что в нашем случае предпочтительнее установить пластинчатый теплообменник, тем более, что запас поверхности нагрева его составляет % против отсутствия практически такового у кожухотрубных, - существует возможность обеспечения тепловой нагрузки выше расчетной 46,2 МВт.

Таблица 1 - Сравнительный анализ теплообменников

6. Гидравлический расчет кожухотрубных теплообменников, трубопроводов воды и конденсата, выбор насосов и конденсатоотводчика

Потери давления воды в трубном пространстве с учетом шероховатости труб и сопротивлений входного и выходного штуцеров определяется по формуле

где л - коэффициент гидравлического сопротивления трения; L - длина трубы, м; щ тр - скорость потока внутри труб, м/с; d - внутренний диаметр трубы, м; с тр - плотность воды внутри труб, кг/м 3 ; z - число ходов; о 1 =2,5 - коэффициент поворота между ходами ; =1,5 - коэффициент гидравлического сопротивления штуцеров ; - скорость потока в штуцерах, определяемая по формуле , м/с.

где G тр - расход воды, кг/с; d ш - диаметр штуцера, м, определяемый в зависимости от диаметра кожуха .

Коэффициент гидравлического сопротивления трения при турбулентном течении жидкости внутри труб определяется по формуле

где Re тр - число Рейнольдса для трубного пространства; е=Д/d - отношение величины шероховатости Д=0,2 мм к внутреннему диаметру трубы d, мм.

Гидравлическое сопротивление

Скорость воды в трубках

где плотность воды при температуре =105 С.

Внутренний диаметр штуцеров по принимаем d ш =300 мм=0,3 м.

Скорость потока воды в штуцерах

0,99 м/с.

Коэффициент гидравлического сопротивления трения при турбулентном течении жидкости внутри труб из

,

где e=/d=0,0002/0,02=0,01 - отношение величины шероховатости =0,2мм.

Таким образом, определим потери давления в трубном пространстве теплообменника:

Па.

Скорость конденсата в межтрубном пространстве определяют по формуле

0,4 м/с,

где 0,03 м 2 - площадь сечения потока между перегородками; 1963,9 кг/м 3 - плотность конденсата при температуре =198,3 С. Потери давления конденсата в межтрубном пространстве определяются по формуле

где Re мтр - число Рейнольдса для межтрубного пространства; щ мтр - скорость потока конденсата в межтрубном пространстве, м/с; с мтр - плотность конденсата в межтрубном пространстве, кг/м 3 ; о=1,5 - коэффициент гидравлического сопротивления входов и выходов воды в межтрубном пространстве ; x=4 - число сегментных перегородок ; m - число рядов труб, преодолеваемых потоком конденсата в межтрубном пространстве, определяемая по формуле

где мтр.ш - скорость потока конденсата в штуцерах, м/с, определяемая по формуле

0,17 м/с,

где G 1 =23,73 кг/с - расход конденсата; кг/м 3 - плотность конденсата при температуре =198,3 С; d мтр.ш = 0,3 м - диаметр штуцеров к кожуху из .

= 8226,2 Па.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В расчетно-графической работе был произведен поверочный расчет кожухотрубчатых и пластинчатого теплообменников для нагрева воды за счет теплоты конденсации водяного пара. В результате были выбраны стандартные теплообменники:

для нагрева воды за счет теплоты конденсации водяного пара ПСВК-220-1,6-1,6;

По результатам поверочного расчета были получены следующие результаты: тепловая нагрузка МВт; расчетный коэффициент теплопередачи Вт/(м 2 К); стандартная площадь поверхности теплообмена в первой секции =м 2 .

Расчетный коэффициент теплопередачи пластинчатого теплообменника Вт/(м 2 К) и стандартная площадь поверхности теплообмена 250 м 2 .

Выполнен гидравлический расчет с учетом местных сопротивлений, а также потерь давления в трубопроводах, длина которых принята самостоятельно.

Выбраны насосы для теплоносителей с учетом их расхода и напора, который должны создать насосы. Для нагреваемого теплоносителя - насос Х90/85, для охлажденного конденсата - насос Х90/33. Также выбраны для питания насосов электродвигатели АО-103-4 и АО2-91-2. Для отвода конденсата выбран конденсатоотводчик типа КА2Х26.16.13 и давлением пара 1,3 МПа.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Картавская В.М. Тепломассообменное оборудование ТЭС и промпредприятий [Электронный ресурс]: учеб. пособие. - Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2014.

2. Александров А.А., Григорьев Б.А. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара: справочник. - М.: Издательский дом МЭИ, 2006. - 168с.

3. Авчухов В.В., Паюсте Б.Я. Задачник по процессам тепломассообмена: учеб. пособие. М.: Энергоатомиздат, 1986. - 144с.

4. Лебедев П.Д. Теплообменные, сушильные и холодильные установки: учеб. пособие - М.: Энергия, 1972. - 317 с.

5. Теплообменное оборудование для промышленных установок и систем теплоснабжения. Промышленный каталог [Электронный ресурс]. - М.: ФГУП ВНИИАМ, 2004.

6. Основные процессы и аппараты химической технологии: пособие по проектированию/ под ред. Ю.И. Дытнерского. - М.: Альянс, 2008. - 496с.

7. Оборудование для пароконденсатных систем. Промышленный каталог [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.relasko.ru (29 апреля 2015).

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Общая схема пастеризационно–охладительной установки и особенности конструирования пластинчатых теплообменников. Влияние загрязнений и конструктивных особенностей пластинчатых теплообменников на коэффициент теплопередачи. Установка осветительного фильтра.

курсовая работа , добавлен 30.06.2014


Расчет тепловой схемы отопительной котельной. Подбор котлов и гидравлический расчет трубопроводов. Выбор способа водоподготовки и теплообменников. Аэродинамический расчет газовоздушного тракта котельной, температурного удлинения и взрывных клапанов.

курсовая работа , добавлен 25.12.2014


Расчет режима работы и показателей экономичности теплонасосной установки. Выбор насосов, схем включения испарителей, конденсаторов, диаметров трубопроводов. Тепловой расчет и подбор теплообменников. Разработка принципиальной схемы системы водоснабжения.

курсовая работа , добавлен 23.03.2014


Сравнительный анализ теплообменников. Технологический процесс нагрева растительного масла. Теплотехнический, конструктивный, гидравлический и прочностной расчет теплообменника. Определение тепловой изоляции внутренней и наружной поверхностей трубы.

дипломная работа , добавлен 08.09.2014


Тепловой, конструктивный и гидравлический расчет кожухотрубного теплообменника. Определение площади теплопередающей поверхности. Подбор конструкционных материалов и способ размещения трубных решеток. Выбор насоса с необходимым напором при перекачке воды.

курсовая работа , добавлен 15.01.2011


Тип теплоутилизатора и котлоагрегата. Поверхность теплообмена для передачи заданного количества теплоты. Основные особенности работы контактных теплообменников. Выбор типоразмера теплоутилизатора. Тепловой, конструктивный и гидравлический расчет.

курсовая работа , добавлен 08.02.2011


Назначение, устройство и классификация теплообменных аппаратов, их функциональные, конструктивные признаки; схемы движения теплоносителей; средний температурный напор. Тепловой и гидромеханический расчёт и выбор оптимального пластинчатого теплообменника.

курсовая работа , добавлен 10.04.2012


Выбор и расчет тепловой схемы. Характеристика оборудования по водоводяному и газовоздушному тракту. Расчёт и выбор теплообменников, топливоподачи с ленточным конвейером. Автоматизация котла КВ-ТС-20. Расчет технико-экономических показателей котельной.

дипломная работа , добавлен 30.07.2011


Сведения о системах автоматического управления и регулирования. Основные линейные законы. Комбинированные и каскадные системы регулирования. Регулирование тепловых процессов, кожухотрубных теплообменников. Автоматизация абсорбционных и выпарных установок.

курс лекций , добавлен 01.12.2010


Понятие, виды, технологическое назначение и конструкции теплообменников. Теплофизические свойства теплоносителей. Тепловой, компоновочный и гидравлический расчет теплообменного аппарата. Характеристика калорифера, классификация и принципы его работы.

И.М. Сапрыкин, инженер, ООО ПНТК «Энергетические Технологии», г. Нижний Новгород

Введение

При разработке или наладке различных теплоэнергетических установок, включающих теплообменное оборудование, в частности пластинчатые теплообменники (ПТА), зачастую требуется выполнять детальные расчёты тепловых схем в широких диапазонах изменения мощностей и параметров теплоносителей.

ПТА, в отличие, например, от кожухотрубных теплообменников, содержат большое разнообразие форм размеров пластин и профилей их теплообменных поверхностей. Даже в пределах одного размера пластин имеется разделение на так называемые «жёсткие» типа H и «мягкие» типа L пластины, различающиеся между собой коэффициентами теплоотдачи и гидравлического сопротивления. Поэтому ПТА, вследствие наличия индивидуального набора расчётных параметров, в основном изготавливаются под конкретный заказ.

Крупные производители ПТА имеют свои наработанные приёмы интенсификации процессов теплопередачи, типоразмеры пластин, эксклюзивные программы по их подбору и расчету.

Индивидуальные особенности ПТА относительно тепловых расчётов заключаются, в основном, в различии значений постоянных A, m, n, r в выражении числа Нуссельта, участвующего в определении коэффициентов теплоотдачи .

, (1)
где Re – число Рейнольдса;

Pr - число Прантля для теплоносителя;

Pr с - число Прантля для теплоносителей на поверхности разделяющей стенки .

Постоянные A, m, n, r определяются экспериментальным путём, что весьма трудозатратно, их значения являются предметом интеллектуальной собственности и производителями ПТА не разглашаются.

Вследствие этого обстоятельства единая методика тепловых поверочных расчётов переменных режимов, охватывающая весь спектр ПТА, отсутствует.

В был предложен метод поверочных тепловых расчётов переменных режимов ПТА, исходя из того, что необходимую информацию о конкретных значениях упомянутых постоянных можно выявить из известного расчётного режима путём моделирования теплового процесса. Здесь имеется ввиду расчётный режим «чистого» теплообменника, когда все параметры определены без так называемого фактора загрязнения.

Моделирование было осуществлено с помощью критериальных уравнений конвективного теплообмена с учётом теплофизических свойств воды: теплоёмкости, теплопроводности, температуропроводности, кинематической вязкости, плотности.

Однако в некоторые вопросы расчётов переменных режимов ПТА остались не раскрытыми. Целью этой статьи является расширение возможностей расчёта переменных режимов водоводяных одноходовых ПТА.

Оптимизированный поверочный расчёт пластинчатых теплообменников

В развитие метода расчёта ниже предлагается более простое уравнение, полученное из уравнения 1 в результате тождественных преобразований и содержащее постоянную (далее константу) ПТА С he :

, (2)
где Q – тепловая мощность через ПТА, кВт;

R c – термическое сопротивление стенки (пластины), м 2 ·°С/Вт;

R н – термическое сопротивление слоя накипных отложений, м 2 ·°С/Вт;

F = (n пл – 2) · ℓ · L – суммарная поверхность теплообмена, м 2 ;

n пл – количество пластин, шт.;

ℓ - ширина одного канала, м;

L – приведённая длина канала, м;

∆t – логарифмическая разность температур теплоносителей, °С;

Θ = Θ г + Θ н – суммарный теплофизический комплекс (ТФК), учитывающий теплофизические свойства воды. ТФК равен сумме ТФК греющего Θ г и ТФК нагреваемого Θ н теплоносителей:

, , (3, 4),
где

t 1 , t 2 – температуры греющего теплоносителя на входе и выходе из ПТА, °С;

τ 1 , τ 2 – температуры нагреваемого теплоносителя на выходе и входе в ПТА, °С.

Значения постоянных m, n, r для области турбулентного течения теплоносителей в данной модели были приняты следующими: m = 0,73, n = 0,43, r = 0,25. Постоянные величины u = 0,0583, y = 0,216 были определены аппроксимацией значений теплофизических свойств воды в диапазоне 5-200 °С с учётом постоянных m, n, r. Постоянная А зависит от многих факторов, в том числе и от принятых постоянных m, n, r и колеблется в широких пределах А = 0,06-0,4.

Уравнение для С he , выраженной через расчётные параметры ПТА:

, (5)
где К р – расчётный коэффициент теплопередачи, Вт/(м 2 · °С).

Уравнение для С he , выраженной через геометрические характеристики:

, (6)
где z – расстояние между пластинами, м.

Из совместного решения 5 и 6 определяется значение А для данного ПТА. Тогда по известному А можно определить коэффициенты теплоотдачи α г и α н :

, (7, 8)
где f = (n пл – 1) · ℓ · z /2 – суммарная площадь сечения каналов;

d э = 2 · z – эквивалентный диаметр сечения канала, м.

Из 7, 8 следует, что значение постоянной А при заданных постоянных m, n, r является показателем эффективности ПТА.

Константа C he также может быть определена экспериментально по результатам одномоментных измерений параметров в двух различных режимах работы ПТА. Измеряемые параметры в этом случае - значения тепловых мощностей, отмеченных индексами 1 и 2; значения четырёх температур теплоносителей:

. (9)

То же касается случаев, когда расчётные параметры ПТА неизвестны. К ним относятся ситуации, когда для находящегося в эксплуатации ПТА информация о начальных параметрах неизвестна, например, утеряна, либо ПТА подвергался реконструкции путём изменения поверхности нагрева (изменение количества установленных пластин).

На практике часто возникают ситуации, когда необходимо изменить, например, увеличить передаваемую расчётную тепловую мощность ПТА. Это осуществляется установкой дополнительного числа пластин. Зависимость расчётной тепловой мощности от количества дополнительно устанавливаемых пластин, полученная из уравнения 2 с учётом 6, выглядит следующим образом:

. (10)

Естественно, что при изменении числа пластин, константа С he изменится и это будет другой теплообменник.

Обычно параметры поставляемого ПТА приведены с фактором загрязнения, представленным термическим сопротивлением слоя накипи R н р (исходный режим). Предполагается, что в процессе эксплуатации через некоторый промежуток времени из-за накипеобразования на поверхности теплообмена образуется слой накипных отложений с «расчётным» термическим сопротивлением. Далее после этого необходима очистка поверхности теплообмена.

В начальный период эксплуатации ПТА поверхность теплообмена будет избыточной и параметры будут отличаться от параметров исходного режима. При наличии достаточной мощности теплоисточника ПТА может «разогнаться», то есть увеличить теплопередачу свыше заданной. Чтобы вернуть теплопередачу к заданному значению необходимо в первичном контуре уменьшить расход теплоносителя либо снизить температуру подачи при этом в обоих случаях также снизится и температура «обратки». В результате новый режим «чистого» ПТА с Q р и R н р = 0 , полученный из исходного с Q р и R н р > 0 , будет являться расчётным для ПТА. Таких расчётных режимов существует бесконечное множество, но все они объединены наличием одной и той же константы C he .

Для поиска расчётных параметров из исходных предлагается следующее уравнение:

, (11),
где в правой части известные К исх, t 1 , t 2 , τ 1 , τ 2 , (следовательно, и Θ исх ), R с, R н р, в левой части – неизвестные t 2 р, ϴ р , К p . В качестве неизвестной вместо t 2 может быть принята одна из оставшихся температур t 1 , τ 1 , τ 2 или их комбинации.

Например, на котельной необходимо установить ПТА со следующими параметрами: Q р = 1000 кВт, t 1 = 110 °C, t 2 = 80 °C, τ 1 = 95 °C, τ 2 = 70 °C. Поставщиком предложен ПТА с фактической поверхностью теплообмена F = 18,48 м 2 с фактором загрязнения R н р = 0,62·10 -4 (коэффициент запаса δf = 0,356); К р = 4388 Вт/(м 2 · °С).

В таблице приведены, в качестве примера, три различных расчётных режима, полученные из исходного. Последовательность расчёта: с помощью формулы 11 вычисляется константа С he ; с помощью формулы 2 определяются необходимые расчётные режимы.

Таблица. Исходный и расчётные режимы ПТА.

Наименование	Размерность	Обозначение	Тепловые режимы
			исходный	расчёт 1	расчёт 2		расчёт 3
Тепловая мощность	кВт	Q	1000	1090	1000	1000
Запас	-	δf	0,356	0,000	0,000	0,000
Степень чистоты	-	β	0,738	0,000	1,000	1,000
Температура греющей воды на входе	°С	t 1	110,0	110,0	110,0	106,8
Температура греющей. воды на выходе	°С	t 2	80,0	77,3	75,4	76,8
Температура нагреваемой воды на выходе	°С	τ 1	95,0	97,3	95,0	95,0
Логарифмическая разность температур	°С	∆t	12,33	9,79	9,40	9,07
ТФК	-	ϴ	4,670	4,974	4,958	4,694
Коэффициент теплопередачи	Вт/(м 2 ·°С)	K	4388	6028	5736	5965
Расход греющей воды	т/ч	G 1	28,7	28,7	24,9	28,7
Расход нагреваемой воды	т/ч	G 2	34,4	34,4	34,4	34,4
Термическое сопротивление слоя накипи	м 2 ·°С/Вт	10 4 ·R н	0,62	0	0	0
Константа ПТА	-	C he	-	0,2416

Расчётный режим 1 иллюстрирует разгон ПТА (Q = 1090 кВт) при условии, что источник тепловой энергии имеет достаточную мощность, при этом при неизменных расходах температура t 2 снижается до 77,3, а температура τ 1 повышается до 97,3 °C.

Расчётный режим 2 моделирует ситуацию, когда клапан регулятора температуры, установленный на трубопроводе с греющим теплоносителем, с целью поддержания постоянной температуры τ 1 = 95 ° С, уменьшает расход греющего теплоносителя до 24,9 т/ч.

Расчётный режим 3 моделирует ситуацию, когда источник тепловой энергии не имеет достаточной мощности для разгона ПТА, при этом обе температуры греющего теплоносителя снижаются.

Константа С he является совокупной характеристикой, заключающей в себе геометрические характеристики и расчётные тепловые параметры. Константа неизменна в течение всего срока службы ПТА при условии сохранения постоянства начального количества и «качества» (соотношения количества пластин H и L ) установленных пластин.

Таким образом, ПТА может быть смоделирован, что открывает пути для выполнения необходимых поверочных расчётов при различных комбинациях исходных данных. В качестве искомых параметров могут быть: тепловая мощность, температуры и расходы теплоносителей, степень чистоты, термическое сопротивление возможного слоя накипи.

С помощью уравнения 2 по известному расчетному режиму можно рассчитать параметры для любого другого режима, в том числе определить тепловую мощность по измеренным на портах четырём температурам теплоносителей. Последнее возможно только при условии заранее известной величины термического сопротивление слоя накипи.

Из уравнения 2 может быть определено термическое сопротивление слоя накипи R н:

. (12)

Оценка степени чистоты поверхности теплообмена для диагностики ПТА находится по формуле.

Выводы

1. Предлагаемый метод поверочного расчёта может быть использован при проектировании и эксплуатации трубопроводных систем с водоводяными одноходовыми ПТА, включая диагностику их состояния.

2. Метод позволяет по известным расчётным параметрам ПТА производить расчеты различных переменных режимов, не обращаясь к производителям теплообменного оборудования.

3. Метод можно адаптировать к расчету ПТА с другими, кроме воды, жидкими средами.

4. Предложено понятие константы ПТА и формул для расчёта. Константа ПТА является совокупной характеристикой, заключающей в себе геометрические характеристики и расчётные тепловые параметры. Константа неизменна в течение всего срока службы ПТА при условии сохранения постоянства начального количества и «качества» (соотношения количества «жёстких» и «мягких») установленных пластин.

Литература

1. Григорьев В.А., Зорин В.М. (ред.). Тепло- и массообмен. Теплотехнический эксперимент. Справочник. Москва, Энергоатомиздат, 1982.

2. Сапрыкин И.М. О поверочных расчётах теплообменников. «Новости теплоснабжения», № 5, 2008. С. 45-48.

3. . Сайт РосТепло.ру.

4. Зингер Н.М., Тарадай А.М., Бармина Л.С. Пластинчатые теплообменники в системах теплоснабжения. Москва, Энергоатомиздат, 1995.

И.М. Сапрыкин, главный технолог,
ООО ПНТК «Энергетические технологии», г. Нижний Новгород

Введение

Широкое применение теплообменных аппаратов различного типа в теплоэнергетике и других областях техники вызывает потребность в методике расчета, позволяющей оперативно пересчитывать параметры теплоносителей для условий нерасчетных режимов работы.

Эта потребность касается главным образом специалистов, работающих в сферах проектирования и эксплуатации систем, содержащих теплообменные аппараты.

Знание «поведения» теплообменников (ТО) в нерасчетных режимах необходимо: для правильного выбора оборудования (насосов, регулирующих клапанов и других элементов трубопроводных систем, включающих ТО); для определения величин тепловых потоков и расходов теплоносителей при отсутствии расходомеров; для оценки степени чистоты (загрязнения) поверхностей нагрева ТО и других целей.

Сегодня на рынке теплообменного оборудования представлены как зарубежные, так и отечественные производители, выпускающие весьма широкий спектр ТО. Имеющиеся методики расчетов не всегда учитывают особенности конкретных ТО и теплофизические свойства воды.

Обращение к производителям ТО с просьбой о выполнении дополнительных расчетов по уже имеющемуся и находящемуся в эксплуатации ТО не всегда удобно либо вообще невозможно.

Различные типы и виды ТО отличаются конструктивными особенностями, расчетными тепловыми потоками, диапазонами температур теплоносителей. У каждого производителя теплообменного оборудования имеются свои эксклюзивные программы по расчету ТО, учитывающие их индивидуальные особенности.

При одинаковых параметрах - тепловом потоке и четырех температурах теплоносителей на портах - ТО различных производителей отличаются коэффициентами теплопередачи (КТП) и площадями поверхностей нагрева. То есть, информация об индивидуальных особенностях данного ТО заключена в его расчетных характеристиках.

Метод поверочного расчета теплообменников

основан на описании процесса конвективного теплообмена посредством критерия Нуссельта.

ты вычислить тепловой поток и расходы теплоносителей.

Следует иметь в виду, что при решении задач 1-3, величина Q весьма сильно зависит от точности измерения четырех температур на портах ТО.

Для задачи 10 - определение степени чистоты поверхности нагрева β - предлагается формула, полученная из общего уравнения (1):

Примеры расчета. Расчеты выполнены по формулам 1 и 3, m=0,73.

В тепловых пунктах систем централизованного теплоснабжения ТО, предназначенные для подогрева водопроводной воды на нужды горячего водоснабжения (ГВС), работают в весьма широких пределах изменения температур.

Температура воды ГВС на входе в ТО в течение суток изменяется от 5 до 50 ОC (циркуля-

ция при отсутствии водоразбора). В свою очередь, в течение сезона температура теплоносителя на входе в ТО может изменяться от 70 до 150ОC.

Кроме того, тепловой поток для ГВС, передаваемый ТО в течение суток при отсутствии баков-аккумуляторов горячей воды, может изменяться в 10 и более раз.

В табл. 2 приведены расчеты режимов работы одноходового ПТО типа М 10В с поверхностью нагрева 30,96 м2. ПТО предназначен для обеспечения максимальной часовой тепловой нагрузки ГВС 2000 кВт и подключен к тепловым сетям по параллельной схеме. Расчетными температурами для подбора ПТО являются:

■ по греющей воде: на входе в ПТ01 τ1=70 ОC; на выходе из ПТО t2=30 ОC;

■ по нагреваемой воде: на входе в ПТОτ2=5 ОC; на выходе из ПТО τ1 = 60 ОC.

Режим 1 - расчетный.

Режим 2 является максимально зимним режимом, температура греющей воды составляет

t1=130 ОC. При этом расход G1 снижается до 14,2 т/ч, а температура t2 падает до 8,9 ОC.

Режим 3 предполагает наличие слоя накипи S=0,1 мм. Для обеспечения температуры τ1 =60 ОC расход G1 возрастает до 65 т/ч, а температура t2 до 43,6 ОC.

Режим 4 предполагает наличие слоя накипи S=0,3 мм (β=0,46). Если по греющей стороне отсутствует возможность дальнейшего увеличения расхода свыше Θ^δδ т/ч, то Q снижается до 1648 кВт, t2 возрастает до 48,2 ОC, а t1 снижается до 50,3 ОC.

Режимы 5 и 6 - циркуляционные. В режиме 6 при t1=130 ОC расход греющего теплоносителя снижается до 6^2 т/ч (более чем в 20 раз по сравнению с режимом 1).

Выводы

1. Предлагается метод поверочных расчетов водоводяных противоточных одноходовых ТО, содержащий уравнение, связывающее тепловой поток с четырьмя температурами теплоносителей на портах при различных степенях чистоты теплопередающих поверхностей.

2. На основании предлагаемых уравнений возможно по известному расчетному режиму ТО (расчетные характеристики которого включают: тепловой поток, коэффициент теплопередачи, четыре температуры теплоносителей, степень чистоты) рассчитать параметры теплоносителей для любого другого режима. В частности, определять при отсутствии расходомеров величины теплового потока и расходов теплоносителей по результатам измерения четырех температур на портах ТО.

3. Предлагаемый метод несложно адаптируется к расчету противоточных одноходовых ТО с другими, кроме воды, жидкими средами.

Литература

1. СП 41-101 -95. Тепловые пункты.

2. Зингер Н.М., Тарадай А.М., Бармина Л.С. Пластинчатые теплообменники в системах теплоснабжения. М.: Энер-гоатомиздат, 1995.

3. Орбис В.С., Адамова М.А. К диагностике технического состояния теплообменных аппаратов // Энергосбережение. 2005. № 2.