iSswV45XbM

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ МУРМАНСКИЙ АРКТИЧЕСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

А.И. Петров

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАСЧЕТА РЕКУПЕРАТИВНЫХ ТЕПЛООБМЕННИКОВ

МУРМАНСК

2019

0

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ МУРМАНСКИЙ АРКТИЧЕСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

А.И. Петров

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАСЧЕТА РЕКУПЕРАТИВНЫХ ТЕПЛООБМЕННИКОВ

Учебное пособие

Рекомендовано учебно-методическим советом университета в качестве учебного пособия

для реализации основных профессиональных образовательных программ высшего образования по направлению подготовки бакалавриата и специалитета 14.03.01 «Ядерная энергетика и теплофизика»

МУРМАНСК

2019

1

УДК 621.1.016:66.045.12(075.8)

ББК 31.368я73 П30

Печатается по решению Совета по научно-исследовательской работе и редакционно-издательской деятельности Мурманского арктического государственного университета

Рекомендовано учебно-методическим советом МАГУ к использованию в учебном процессе (протокол № 2 от 22.11.2019 г.)

Рецензенты: И.И. Костылев, доктор тех. наук, профессор, заведующий кафедрой «Теплотехника, судовые котлы и вспомогательные установки» ГУМРФ им. адм. С.О. Макарова (протокол № 4 от 25.12.18 г.);

Ю.В. Паршев, исполнительный директор ГК «ФЭСТ»

Петров А.И.

Теоретические основы расчета рекуперативных теплообменников: учебное пособие / А.И. Петров. – Мурманск: МАГУ, 2019. – 124 с.

Учебное пособие содержит основные теоретические и практические сведения, а также рекомендации для расчетов процессов теплопередачи при конструктивных и поверочных расчетах рекуперативных теплообменников, предусмотренные рабочей программой дисциплины «Техническая термодинамика и теплопередача» и рекомендованные Министерством науки и высшего образования РФ. Даются краткие описания конструкций теплообменников, рассматриваются алгоритмы их расчетов, приводятся схемы движения теплоносителей, прилагаются необходимые справочные сведения по теплофизическим свойствам теплоносителей и применяемым материалам. Для лучшего усвоения материала в конце тем сформулированы контрольные вопросы самопроверки. При написании работы преследовалась цель изложить в возможно более простой и ясной форме сущность сложных расчетов теплопередачи в теплообменниках при сохранении необходимой научной терминологии.

Учебное пособие предназначено для студентов высших учебных заведений по направлению подготовки бакалавриата и специалитета «Ядерная энергетика и теплофизика» и может быть использовано студентами специальностей, связанных с теплоэнергетикой и теплотехникой.

Печатается в авторской редакции.

СОДЕРЖАНИЕ

Основные обозначения…………………………….…………………………….......5

ПРЕДИСЛОВИЕ…………...........................................................................................8

Глава 1. КЛАССИФИКАЦИЯ И ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ……………………………………………………...…………9

Глава 2. ВАРИАНТЫ СХЕМ ДВИЖЕНИЯ И ИЗМЕНЕНИЯ ТЕМПЕРАТУР ТЕПЛОНОСИТЕЛЕЙ ………………………………………………….……….…..11

Глава 3. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕПЛОВОГО РАСЧЕТА ТЕПЛООБМЕННИКА ……………………………………………………….....…..17

Глава 4. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ГИДРОМЕХАНИЧЕСКОГО РАСЧЕТА ТЕПЛООБМЕННИКОВ ……………………………………………………….…...32

Глава 5. ТЕПЛОВОЙ И ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИЙ КОНСТРУКТИВНЫЙ РАСЧЕТ КОЖУХОТРУБНОГО ТЕПЛООБМЕННИКА …………….……..……35

5.1.Алгоритм теплового и гидромеханического расчета ….…………..…….37

5.2.Пример теплового и гидромеханического расчета….……………..……..43

Глава 6. АЛГОРИТМ КОНСТРУКТИВНОГО РАСЧЕТА СЕКЦИОННОГО ТЕПЛООБМЕННИКА ТИПА «ТРУБА В ТРУБЕ»………………………….........56

Глава 7. ОСНОВЫ ТЕПЛОВОГО ПОВЕРОЧНОГО РАСЧЕТА ТЕПЛООБМЕННИКА …………………...………………………………..………..62

Глава 8. ТЕПЛОВОЙ ПОВЕРОЧНЫЙ РАСЧЕТ ПЛАСТИНЧАТОГО ТЕПЛООБМЕННИКА ……………………...………………………..…………......66

8.1.Алгоритм поверочного расчета……………………….………….......….....68

8.2.Пример поверочного расчета теплообменника системы водяного охлаждения…….……………………………………………………….....…71

Глава 9. ПОВЕРОЧНЫЙ РАСЧЕТ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДИАГРАММ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СРЕДНЕЙ РАЗНОСТИ ТЕМПЕРАТУР ТЕПЛОНОСИТЕЛЕЙ В ТЕПЛООБМЕННИКЕ……………………………………………………....….....81

Литература…………………………………..…………………............................….87

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение 1. Международная система единиц измерения (СИ)………….…...88 Приложение 2. Перевод величин из системы измерения МКГСС в международную систему единиц (СИ)……………………………………….….…89 Приложение 3. Десятичные приставки к названиям единиц …............…….........90 Приложение 4. Перевод английских единиц измерения в метрические.................91 Приложение 5. Физические свойства воды на линии насыщения………………..93

3

Приложение 6. Коэффициенты динамической вязкости и теплопроводности морской воды………………………………………………......……………….……94

Приложение 7. Физические свойства сухого воздуха………………………….…94 Приложение 8. Физические свойства дымовых газов………………...............…..96 Приложение 9. Физические свойства дизельного масла М-10Г2……………...…97 Приложение 10. Физические свойства турбинного масла «Т»……...............……98 Приложение 11. Физические свойства масла МК…………………………...…….99 Приложение 12. Физические свойства флотского мазута «Ф12»…………….....100 Приложение 13. Физические свойства флотского мазута «М40»……………….101 Приложение 14. Физические свойства некоторых твёрдых тел…………......….102 Приложение 15. Физические свойства некоторых сталей и сплавов…………...103 Приложение 16. Физические свойства различных технических материалов…..104 Приложение 17. Физические свойства теплоизоляционных материалов………105 Приложение 18. Коэффициенты теплопроводности сталей λ Вт/(м·К)…...……107 Приложение 19. Коэффициенты теплопроводности сплавов………………...…108 Приложение 20. Коэффициент теплопроводности λ Вт/(м·К) металлов

исплавов……………………...……………………………………….………..…..109

Приложение 21. Физические свойства и предельные рабочие температуры огнеупорных материалов…………………………………………………..………110

Приложение 22. Физические свойства и предельная температура применения основных изоляционных материалов и изделий……...………………………….111 Приложение 23. Степень черноты полного излучения для различных материалов……………………………………………………………………...…...112

Приложение 24. Зависимость степени черноты ε углекислого газа от температуры t, парциального давления p, и длины пути луча l…………......…..114 Приложение 25. Коэффициенты местных сопротивлений………………………115 Приложение 26. Размещение труб в трубных досках теплообменных аппаратов

иопределение их числа…………………………………………………….………116

Приложение 27. Диаграмма Ѳ – P – NTU2 для противоточной схемы движения………………………………………………………….……………...….118

Приложение 28. Совмещенные диаграммы F – P и Ѳ – P – NTU2 для однонаправленной схемы движения ……………………………………..…….…119

Приложение 29. Совмещенные диаграммы F – P и Ѳ – P – NTU2 для корпуса типа E с многоходовой схемой движения и с четным числом ходов труб..…....120

Приложение 30. Совмещенные диаграммы F – P и Ѳ – P – NTU2 для корпуса типа E для многоходовой схемы с двумя последовательно соединенными корпусами или любым четным числом ходов труб в каждом………….……….121

Приложение 31. Совмещенные диаграммы F – P и Ѳ – P – NTU2 для корпуса типа G для двух или любого четного числа ходов труб……………………...….122

Приложение 32. Совмещенные диаграммы F – P и Ѳ – P – NTU2 для корпуса типа J с одним ходом труб…………………………………………………...….…123

Приложение 33. Графики определения поправочного коэффициента,

уточняющего среднелогарифмический температурный напор……………........124

4

Основные обозначения

d – диаметр, характерный геометрический размер, м

δ – толщина, м

L, l – длина, м

n - число трубок h – высота, м

u – периметр, м

f – площадь поперечного сечения, м2

F – площадь поверхности теплообмена, м2

G – массовый расход теплоносителя, кг/с

V – объемный расход теплоносителя, м3/с w – скорость теплоносителя, м/с

W – водяной эквивалент теплоносителя, Вт/К

Q – количество тепла, Дж; тепловая мощность, Вт

N – мощность насоса при прокачке теплоносителя, Вт q – удельный тепловой поток, Вт/(м2·К)

t– температура, 0С

-температура теплоносителя на входе, 0С

-температура теплоносителя на выходе, 0С

–средняя разность температур, 0С

- средний температурный напор, 0С

t – перепад температур, 0С

5

p – давление, н/м2

p – перепад давления, н/м2

Ri – термическое сопротивление, (м2·К)/Вт

ρ – плотность, кг/м3

v – кинематическая вязкость, м2/с µ - динамическая вязкость, (н·с)/м2 c – теплоемкость, Дж/(кг·К)

–коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2·К)

β– коэффициент объемного расширения,1/К

k – коэффициент теплопередачи, Вт/(м2·К)

λ – коэффициент теплопроводности, Вт/(м·К)

a – коэффициент температуропроводности, м2/с σ – коэффициент поверхностного натяжения, Н/м

Безразмерные комплексы

Pe = Re· Pr – критерий Пекле

6

Ga = – критерий Галилея

Eu = – критерий Эйлера

P = - тепловая эффективность

R = - отношение изменений температур теплоносителей

E – эффективность теплообменника

Ѳ - отношение среднего температурного напора к максимальной разнице температур между теплоносителями

Индексы

1 – параметры горячего теплоносителя

2 - параметры холодного теплоносителя г – параметры газа ж – параметры жидкости вн – внутренний нар - наружный

н – параметры насыщенного пара п – приведенный пл – параметры пленки конденсата ср - средний

ст – параметры жидкости при температуре стенки, стенка экв - эквивалентный

7

ПРЕДИСЛОВИЕ

Настоящая книга является учебным пособием, предназначенным для практического освоения разделов теплопередачи по дисциплине «Техническая термодинамика и теплопередача» студентами и курсантами вузов, обучающихся по инженерно-техническим специальностям.

Учебное пособие содержит характерные примеры алгоритмов конструктивного и поверочных расчетов рекуперативных теплообменников, предусмотренные дисциплиной. Дается краткое описание физических процессов теплообмена. В приложениях содержатся обширные сведения по теплофизическим свойствам основных конструкционных материалов, и теплоносителей, применяемых в технике; графический материал представлен частично номограммами, отражающими связь между рабочими параметрами рабочих жидкостей и показателями энергоэффективности теплообменников.

Выполнение практических работ по расчету теплообменников сопровождается конкретными примерами расчета кожухотрубного, секционного и пластинчатого теплообменников.

Автор выражает глубокую признательность рецензентам: к. т. н., профессору кафедры теплотехники, судовых котлов и вспомогательных установок ФГБОУ ВО «ГУМРФ» им. адм. С.О. Макарова Е.Г. Орловой, зав. кафедрой, д-ру тех. наук, профессору Костылеву И.И., исполнительному директору ГК «ФЭСТ» Ю.В. Паршеву за ценные замечания и предложения, позволившие улучшить качество рукописи.

Замечания и пожелания по улучшению книги прошу высылать по адресу:

183038, г. Мурманск, ул. Капитана Егорова, д. 15, Мурманский арктический государственный университет.

8

Глава 1. КЛАССИФИКАЦИЯ И ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Рекуперативными теплообменниками называют устройства, в которых передача теплоты происходит от горячего теплоносителя (жидкости или газа) через твердую разделяющую стенку к холодному. Теплообмен происходит за счет конвекции теплоносителей и теплопроводности стенки; если при этом, хотя бы один из теплоносителей является излучающим газом, то и за счет теплового излучения. В судовых энергетических установках такие устройства нашли самое широкое применение и обычно их разделяют на три группы:

энергетические – к которым относятся: охладители воды и масла тепловых двигателей, охладители воздуха, поступающего в цилиндры дизелей, парогенераторы атомных энергетических установок с газовым теплоносителем в первом контуре, подогреватели топлива, поступающего к форсункам дизелей или паровых котлов;

вспомогательные – работающие в судовых системах и вспомогательных установках, например, водоподогреватели, использующие тепло выхлопных газов и подогреватели забортной воды;

бытовые – которые имеются в системах кондиционирования воздуха или отопления судовых помещений.

Кроме функционального назначения рекуперативные теплообменники подразделяются также по виду теплоносителей: на жидкостные – в них тепло передается от одной жидкости к другой, газовые

– где теплообмен происходит между газами, и газожидкостные – в которых тепло передается от жидкости к газу или наоборот. Классификация по виду теплоносителя позволяет объединить однотипные конструкции поверхностей теплообмена и сравнить различные теплообменники, работающие в одинаковых условиях. Поэтому существует еще одна классификация – классификация по типу конструкции поверхности теплообмена, в которой предусматривается разделение на кожухотрубные, плоскотрубные и пластинчатые теплообменники.

Однако, несмотря на имеющееся конструктивное различие и целевое назначение, порядок и схема теплового и гидравлического расчетов таких теплообменников остаются одинаковыми. Стоит отметить, что проектирование теплообменника представляет собой комплексную задачу, включающую и выбор типа поверхности теплообмена, и определение величины поверхности теплообмена, а также её гидравлического сопротивления, зависящего от компоновки поверхности в корпусе, и

9