Реферат: Тепловой расчет кожухотрубного и пластинчатого теплообменника

Гипероглавление:
СОДЕРЖАНИЕ
Тепловой расчет кожухотрубного теплообменника
Тепловой расчет пластинчатого теплообменника
Вывод
Список использованной литературы
СОДЕРЖАНИЕ

ЗАДАНИЕ
Произвести тепловой конструкторский расчет кожухотрубного и пластинчатого теплообменного аппарата, подключенного по схеме противотока при следующих данных:

Производительность />

Начальная температура греющей воды />

Конечная температура греющей воды />

Начальная температура нагреваемой воды />

Конечную температуру нагреваемой воды задать самостоятельно.


Тепловой расчет кожухотрубного теплообменника
РЕШЕНИЕ
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, следовательно, и интенсивности теплообмена теплоносителей. Горизонтальные секционные скоростные водоподогреватели по ГОСТ 27590 с трубной системой из прямых гладких или профилированных труб отличаются тем, что для устранения прогиба трубок устанавливаются двухсекторные опорные перегородки, представляющие собой часть трубной решетки.
/>

Рис. 1. Общий вид горизонтального секционного кожухотрубного водоподогревателя с опорами-турбулизаторами
Такая конструкция опорных перегородок облегчает установку трубок и их замену в условиях эксплуатации, так как отверстия опорных перегородок расположены соосно с отверстиями трубных решеток.

Водоподогреватели состоят из секций, которые соединяются между собой калачами по трубному пространству и патрубками — по межтрубному. Патрубки могут быть разъемными на фланцах или неразъемными сварными. В зависимости от конструкции водоподогреватели для систем горячего водоснабжения имеют следующие условные обозначения: для разъемной конструкции с гладкими трубками — РГ, с профилированными — РП; для сварной конструкции — соответственно СГ, СП.

1). Максимальный расход греющей воды, проходящей по межтрубному пространству теплообменника, можно определить из уравнения:
/>

Тогда расход />и />.
Тепловые потери из-за несовершенства теплоизоляции для водоподогревателей по ГОСТ 27590 принимаются от 5 до 9%. При расчете примем потери 7%, тогда />. Теплоемкость греющей воды при ср. температуре />принимается равной />и плотность />(Авчухов В.В. Задачник по процессам тепломассообмена – таблица №3 “Физические свойства воды на линии насыщения”, стр. 103-104).
/>.
2). Для определения расхода нагреваемой воды задаемся конечной температурой />, теплоемкость воды при ср. температуре />принимается равной />и плотность />(Авчухов В.В. Задачник по процессам тепломассообмена – таблица №3 “Физические свойства воды на линии насыщения”, стр. 103-104).
/>
3). Для выбора необходимого типоразмера водоподогревателя предварительно задаемся оптимальной скоростью нагреваемой воды в трубках, равной />, и исходя из двухпоточной компоновки определяем необходимое сечение трубок водоподогревателя />, кв.м, по формуле:
/>
В соответствии с полученной величиной />по табл. 1 прил.7 СП 41-101-95 выбираем необходимый типоразмер водоподогревателя.
Таблица №1

Величина

Обозначение

Ед. измер.

Значение

Наружный диаметр корпуса секции

DH

мм

325

Число трубок в секции

n

шт

151

Площадь сечений межтрубного пространства

fмтр

м2

0,04464

Площадь сечения трубок

fтр

м2

0,02325

Эквивалентный диаметр межтрубного пространства

dэкв

м

0,0208

Коэффициент теплопроводности трубок

λст

Вт/(м·0С)

105

Поверхность нагрева одной секции (длина секции – 2м)

fсек

м2

14,24

Размер трубки

/>

мм

/>

4). Для выбранного типоразмера водоподогревателя определяем фактические скорости воды в трубках и межтрубном пространстве каждого водоподогревателя при двухпоточной компоновке по формулам:
/>
5). Коэффициент теплоотдачи/>от греющей воды к стенке трубки определяется по формуле
/>
Эквивалентный диаметр межтрубного пространства, м, принимается по таблице параметров теплообменника />
/>
6). Коэффициент теплопередачи />от стенки трубки к нагреваемой воде определяется по формуле
/>

/>
7). Коэффициент теплопередачи водоподогревателя/>определяем, как:
/>
где /> — коэффициент эффективности теплообмена, в нашем случае для гладкотрубного теплообменника с блоком опорных перегородок принимается />;

/> — коэффициент, учитывающий загрязнение поверхности труб в зависимости от химических свойств воды, принимаем />.

8). При заданной величине расчетной производительности водоподогревателя />определяется необходимая поверхность нагрева водоподогревателя />по формуле:
/>
/>

/>

Рис 2. График изменения температур теплоносителей

где /> — среднелогарифмический температурный напор, определяемый, как:
/>
В нашем случае />, поэтому />и />(см.рис 2).

Подставив числовые данные, получаем:
/>

Тогда поверхность нагрева будет равна />
9). Для выбранного типа водоподогревателя при его двухпоточной компоновке число секций />водоподогревателя в одном потоке:
/>
Площадь одной секции />принимается из таблицы №1.

Действительная площадь теплообмена будет равна
/>.
10). Потери давления />в водоподогревателе при принятой длине секции 2м определяем по формулам:

для нагреваемой воды, проходящей в гладких трубках:
/>

/>
где /> — коэффициент, учитывающий накипеобразование (принимается в пределах от 2 до 3);

для греющей воды, проходящей в межтрубном пространстве:
/>
Для теплообменника полученной конфигурации коэффициент В=11 (по таблице №3 из прил.7 СП 41-101-95).
/>
/>

Рис. 3. Конструктивные размеры водоподогревателя

1 — секция; 2 — калач; 3 — переход; 4 — блок опорных перегородок;

5 — трубки; 6 — перегородка опорная; 7 — кольцо; 8 — пруток;

Все конструктивные размеры (см. рис 3) полученного теплообменного аппарата занесем в таблицу №2 (все размеры приведены в мм):
Таблица №2

Наружный диаметр корпуса секции DH

D

D1

D2

d

dH

H

h

L

L1

L2

L3

325

440

219

335

390

273

600

300

2800

-

600

190

--PAGE_BREAK--Тепловой расчет пластинчатого теплообменника
Пластинчатые теплообменники бывают различных конструкции, применяются в основном, когда коэффициенты теплообмена для обоих теплоносителей приблизительно равны. В настоящее время эти теплообменники очень компактны и по технико – экономическим и по эксплуатационным показателям превосходят большинство кожухотрубных теплообменников. Однако эксплуатировать эти аппараты при сверх высоких давлениях и температурах значительно сложнее (а многие из них и вовсе невозможно) по сравнению с кожухотрубными.

Условное обозначение теплообменного пластинчатого аппарата: первые буквы обозначают тип аппарата — теплообменник Р (РС) разборный (полусварной); следующее обозначение — тип пластины; цифры после тире — толщина пластины, далее — площадь поверхности теплообмена аппарата (кв.м), затем — конструктивное исполнение (в соответствии с табл.2 в прил.8 СП 41-101-95), марка материала пластины и марка материала прокладки (в соответствии с табл. 3 в прил.8 СП 41-101-95).

В прил.8 СП 41-101-95 рассматриваются теплообменники с тремя типами пластин – 0,3р, 0,6р и 0,5Пр. При высоких давлениях целесообразнее применение теплообменников РС 0,5Пр, поскольку эти теплообменники надежно работают при рабочем давлении до 1,6 МПа (16 кгс/кв.см). Я же для своего расчета выбираю теплообменник с пластинами типа 0,6р, так как эти пластины большей площади (0,6 кв.м) и сам теплообменный аппарат получается меньше по габаритам.

1). Соотношение числа ходов для греющей />и нагреваемой />воды находится по формуле:
/>
Для пластинчатого теплообменника в большинстве случаев принимается />и />. Подставив числовые данные, получаем:
/>
Полученное соотношение ходов не превышает 2, значит для повышения скорости воды и, следовательно, для эффективного теплообмена целесообразна симметричная компоновка (см.рис 4)
/>

Рис. 4. Симметричная компоновка пластинчатого водоподогревателя
2). При расчете пластинчатого водоподогревателя оптимальная скорость воды в каналах принимается по ГОСТ 15515 равной />= 0,4 м/с. Основные технические параметры пластины 0,6р занесем в таблицу №3.

Теперь по оптимальной скорости находим требуемое количество каналов по нагреваемой воде />:
/>
где /> — живое сечение одного межпластинчатого канала. Для выбранного теплообменника />, тогда
/>
Плотность воды и ее расход здесь и при дальнейших расчетах будет подставляться из расчетов, сделанных для кожухотрубного теплообменника.

3). Компоновка водоподогревателя симметричная, т.е./>. Общее живое сечение каналов в пакете по ходу греющей и нагреваемой воды:
/>

/>
Таблица №3

Показатель

Числовое значение

Габариты (длина х ширина х толщина), мм

1375х600х1

Поверхность теплообмена, кв.м

0,6

Вес (масса), кг

5,8

Эквивалентный диаметр канала, м

0,0083

Площадь поперечного сечения канала, кв.м

0,00245

Смачиваемый периметр в поперечном сечении канала, м

1,188

Ширина канала, мм

545

Зазор для прохода рабочей среды в канале, мм

4,5

Приведенная длина канала, м

1,01

Площадь поперечного сечения коллектора

0,0243

Наибольший диаметр условного прохода присоединяемого штуцера, мм

200

Коэффициент общего гидравлического сопротивления

/>

Коэффициент гидр. сопротивления штуцера/>

1,5

Коэффициенты:

А

Б

0,492

3,0

Теперь по оптимальной скорости находим требуемое количество каналов по нагреваемой воде />:
/>
где /> — живое сечение одного межпластинчатого канала. Для выбранного теплообменника />, тогда
/>
Плотность воды и ее расход здесь и при дальнейших расчетах будет подставляться из расчетов, сделанных для кожухотрубного теплообменника.

4). Находим фактические скорости греющей и нагреваемой воды, м/с
/>

/>
5). Коэффициент теплоотдачи />от греющей воды к стенке пластины определяется по формуле
/>

/>
где А — коэффициент, зависящий от типа пластин, для типа выбранных пластин А=0,492 (см. табл.№3).

6). Коэффициент тепловосприятия />от стенки пластины к нагреваемой воде принимается по формуле
/>

/>
7). Коэффициент теплопередачи />определяется по формуле:
/>
где /> — коэффициент, учитывающий уменьшение коэффициента теплопередачи из-за термического сопротивления накипи и загрязнений на пластине, в зависимости от качества воды принимается равным 0,7-0,85. Толщина пластины и коэффициент теплопроводности пластины для пластинчатых теплообменников по ГОСТ 15518 равны соответственно
/>и />

/>
8). Теперь определим необходимую поверхность нагрева />по формуле:
/>
9). Количество ходов в теплообменнике/>:
/>
где /> — поверхность нагрева одной пластины, кв.м.

Число ходов округляется до целой величины, в нашем случае до 1.

В одноходовых теплообменниках четыре штуцера для подвода и отвода греющей и нагреваемой воды располагаются на одной неподвижной плите.

10). Действительная поверхность нагрева всего водоподогревателя определяется по формуле
/>
11). Потери давления />в водоподогревателях следует определять по формулам:

для нагреваемой воды
/>

/>
для греющей воды
/>

/>
где /> — коэффициент, учитывающий накипеобразование, который для греющей сетевой воды равен единице, а для нагреваемой воды должен приниматься по опытным данным, при отсутствии таких данных можно принимать />.

Б — коэффициент, зависящий от типа пластины, принимается по табл. 3.

В результате расчета по табл.2 из прил.8 СП 41-101-95 в качестве водоподогревателя горячего водоснабжения принимаем теплообменник разборной конструкции (Р) с пластинами типа 0,6р, толщиной 0,8 мм, из стали 12Х18Н10Т (исполнение 01), на двухопорной раме (исполнение 2К), с уплотнительными прокладками из резины ИРП 1225 (исполнение 4). Поверхность нагрева — 55,8 кв.м. Условное обозначение такого аппарата будет выглядеть Р 0,6р-0,8-55,8-2К-01-4, его габариты />.
Вывод
Эти простейшие тепловые расчеты двух теплообменных аппаратов одинаковой тепловой производительности показывают, что коэффициент теплопередачи за счет более значительной турбулизации потоков практически в 1,5 раза выше у пластинчатого теплообменника, чем у кожухотрубного. Площадь теплообмена, необходимая для придания теплоносителям заданных параметров тоже в 1,5 раза ниже у пластинчатого. Конструктивные размеры у полученного кожухотрубного теплообменного аппарата />, габариты полученного пластинчатого лежат в пределах />, что значительно меньше.

Однако, если четко настаивать на техническом превосходстве пластинчатых теплообменников, то полученные расчеты теплообменника по ГОСТ 15515 неудачны. В таблице 7 из приложения №8 СП 41-101-95 предоставляются варианты пластинчатых теплообменников фирмы производителя “СВЕП”, в которых коэффициент теплопередачи достигает порядка />. Следовательно, если за основу расчета взять теплообменники этой фирмы, то полученные габариты аппарата были бы гораздо меньше.

Однако, расчеты выявляют и некоторые недостатки пластинчатых аппаратов, например, гидравлические потери как по греющей так и по нагревающей среде в 4 раза больше, чем у рассчитываемого кожухотрубного аппарата.
Список использованной литературы
1. Авчухов В.В., Паюсте Б.Я. Задачник по процессам тепломассообмена. М.: Энергоатомиздат, 1986.

2. Лебедев П.Д. Теплообменные, сушильные и холодильные установки. М.: Энергия, 1972.

3. Назмеев Ю.Г., Лавыгин В.М. Теплообменные аппараты ТЭС. М.: Энергоатомиздат, 1998.

4. Свод правил “Проектирование тепловых пунктов” СП 41-101-95.

5. Справочник по теплообменникам. Том 2. Перевод О.Г.Мартыненко. М.: Энергоатомиздат, 1989.