Текст ргр

Введение.

Целью выполнения практической работы является получение практических навыков по правильному использованию основных зависимостей и формул в курсе «Теплогазоснабжение».

Заданием к практической работе предлагается рассчитать для определенных исходных данных условий теплообменного аппарата и выбрать оптимальную компоновку.

Типы теплообменных аппаратов.

Теплообменным аппаратом называют устройство, предназначенное для передачи теплоты от более нагретого теплоносителя к менее нагретому.

По принципу действия теплообменники подразделяются на три вида: рекуперативные, регенеративные и смесительные.

Рекуперативными теплообменником называется такой аппарат, в котором теплопередача от горячего теплоносителя к холодному осуществляется через стенку непрерывно.

Регенеративным теплообменником называется такой аппарат, в котором теплопередача от горячего теплоносителя к холодному осуществляется непрерывно смешением теплоносителей.

Наибольшее распространение во всех областях техники получили рекуперативные теплообменники.

В тепловых пунктах устанавливают водоподогреватели различных типов и конструкций. В зависимости от вида греющей среды их делят на пароводяные и водоводяные. В первом случае греющей средой является водяной пар, во втором – высокотемпературная вода. Нагреваемой средой во всех случаях является вода.

По конструктивным признакам водоподогреватели рекуперативного типа подразделяются: на кожухотрубные и пластинчатые. В кожухотрубных водоподогревателях основным конструктивными элементами являются цилиндрический корпус и пучок гладких трубок, размещаемый внутри корпуса. Один из теплоносителей протекает внутри трубок другой в межтрубном пространстве корпуса. Как внутри трубок, так и в межтрубном пространстве теплоносители движутся с определенными скоростями, обеспечивая активный теплообмен. Такие водоподогреватели получили название скоростных.

Скоростные водоводяные подогреватели, у которых горячий и холодный теплоносители движутся в противоположных направлениях, называют противоточными. Они эффективнее прямоточных, так как обеспечивают больший средний температурный напор и позволяют подогревать воду до более высокой температуры. Для пароводяных скоростных подогревателей направление движения теплоносителя не имеет значения. Водоводяные и пароводяные скоростные подогреватели предназначены для систем отопления и горячего водоснабжения.

По ориентации оси корпуса скоростные пароводяные водоподогреватели могут быть горизонтальными и вертикальными. В тепловых пунктах жилых, общественных и промышленных зданий устанавливают трубчатые теплообменники, в которых пучок труб погружен в емкость, заполненную нагреваемой водой. Такие водоподогреватели, в отличие от скоростных, называются емкостными и их используют в системах горячего водоснабжения с периодическим разбором воды.

Основным конструктивным элементом пластичных водоподогревателей является гофрированная пластина. Пластины располагают параллельно друг другу; между поверхностями двух смежных пластин создаются небольшие зазоры щелевидной формы, по которым движутся потоки греющей и нагреваемой сред.

Водоводяные скоростные подогреватели выпускают в настоящее время: разъемными. Разъемное исполнение секций позволяет собирать на месте подогреватели с различным числом однотипных секций. На рис.1 изображен секционный скоростной водоводяной подогреватель. Основным элементом подогревателя является корпус из стальной бесшовной трубы. Внутри корпуса расположены трубки из латуни диаметром 16*1 мм, вальцованные двумя концами в глухие фальцы. Латунь имеет высокую теплопроводность (около 135 Вт/м*с), следовательно, термическое сопротивление стенки латунной трубки, имеющей толщину 1 мм, ничтожно.

Корпусы теплообменников длиной 2 и 4 м имеют наружные диаметры от 57 до 530 мм, число трубок – от 4 до 450. Подогреватели рассчитаны на рабочее давление 1МПа. В подогревателях, предназначенных для систем отопления, для выравнивания скоростей греющая вода направляется по трубкам, нагреваемая вода – по межтрубному пространству. На корпусах этих подогревателей устанавливают линзовые компенсаторы. В комплект поставки подогревателя входят кроме корпуса входной и выходной патрубки, а также каналы для соединения трубного пучка. Патрубок для выхода нагретой воды имеет штуцер для термопары.

Рис.1-Секционный скоростной водяной подогреватель

Основным элементом пластинчатого подогревателя является пластина. На рис.2 а показана пластина с гофрами «в елку» типа 0,5Е (конструкция УКРНИИхиммаша). Габаритные размеры пластин 1370*500*1 мм (длина* ширина* толщина), площадь поверхности теплообмена одной пластины 0,5м² масса пластины 5,4 кг. Пластины штампуются из листового металла, гофры пластин имеют в сечении профиль равнобедренного треугольника с основанием 14мм и высотой 4мм.

Поверхность нагрева образуется из параллельно расположенных гофрированных пластин. По зазорам между пластинами направляются потоки греющей и нагреваемой сред. Простейший подогреватель должен иметь не менее трех пластин, образующих два канала ( зазора), по одному из которых течет греющая среда, по другому – нагреваемая.

Пластины устанавливаются на раму подогревателя, которая состоит из верхней и нижней несущей штанг, подвижной и неподвижной плит с зажимным устройством. Неподвижная плита обычно прикреплена к полу, подвижная подвешена на скобе к верхней штанге и может перемещаться по ней. На плитах имеются штуцера для присоединения трубопроводов.

Разработанная конструкция подогревателей позволяет достаточно легко и быстро производить чистку поверхности пластин от слоя накипи, отлагающийся в них в процессе эксплуатации. Группа пластин, образующих систему каналов, в которых рабочая среда движется только в одном направлении, составляет пакет. Один или несколько пакетов, сжатых между неподвижной и подвижной плитами, называют секцией ( рис.2 б ).

Рис.2. – Пластинчатый подогреватель а - пластина с гофрами в «елку»: 1- отверстие для входа и выхода воды, 2 - резиновая прокладка; б-подогреватель в сборе: 1- штанга, 2- передняя и задняя стойки, 3- штуцера, 4- пластины; в - симметричная система компоновки пластин; г - несимметричная -компоновка пластин несимметрична

Пакеты можно компоновать в симметричные пакеты для греющей и нагреваемой сред, т.е. с одинаковым числом каналов в каждом пакете для каждой среды (рис.2.в). Если расход одной среды значительно отличается от расхода другой среды, то для получения оптимальных скоростей по ходу каждой среды применяют несимметричные схемы компоновок пластин. В этом случае число каналов в пакетах для греющей и нагреваемой сред неодинаково (рис.2.г).

Пластинчатые подогреватели разборной конструкции предназначены для работы при давлении до 1,6 МПа и температуре рабочей среды до 180 ºС.

Пластинчатые подогреватели имеют более высокие технико-экономические показатели по сравнению с кожухотрубными. Процесс изготовления поверхности теплообмена их тонких штампованных пластин более индустриален и менее трудоемок, чем производство бесшовных труб малого диаметра для той же цели. Малая толщина и параллельная установка пластин с малыми промежутками между ними позволяет разместить в минимальном пространстве максимальную поверхность теплообмена, что недостижимо в других типах поверхностных теплообменников. В пластинчатых подогревателях использованы сложные формы поверхностей теплообмена и образуемых ими каналов, в которых поток воды искусственно турбулизируется. Это значительно повышает эффективность теплообмена, в то же время гидравлические потери в каналах и, следовательно, затраты энергии на перекачку воды остаются небольшими.

В Советском Союзе пластинчатые подогреватели впервые были применены в 1940г. для нужд пищевой промышленности. В последние годы они начали находить применение в системах теплоснабжения для воды паром или высокотемпературной водой.

2. Виды и особенности теплового расчета скоростного и пластинчатого водоподогревателей рекуперативного типа.

2.1. Скоростной водоподогреватель.

Различают конструктивный и проверочный тепловой расчет теплообменного аппарата.

Цель конструктивного расчета состоит в определении величины рабочей поверхности теплообменника, которая является искомым параметром. При этом должно быть известно количество передаваемой теплоты и температуры теплоносителей на входе и выходе из аппарата.

Когда возникает необходимость работы существующего теплообменного аппарата в условиях, отличных от проектных, то выполняется проверочный расчет. Цель такого расчета- определение температур теплоносителей на выходе из теплообменника и количества передаваемой теплоты при известной величине рабочей поверхности теплообменного аппарата.

На рис.3 и рис.4 изображены графики изменения температуры по длине прямоточного (а) и противоточного (б) теплообменного аппарата и схем движения в них теплоносителей. Индексами 2 и 1 обозначены холодный и горячий теплоносители, а одним и двумя штрихами – их параметры на входе и выходе аппарата.

Основными расчетными уравнениями при расчете теплообмена в теплообменнике являются уравнение теплового баланса и уравнение теплопередачи. Тепловой баланс теплообменника определяется уравнением:

Q = Q_вн*η = Q₂ (2.1)

или

Q = σ₁C_р1(Т₁’-Т₁”)*η = σ₂C_р2(Т₂”-Т₂’) (2.2)

где

Q – полезный тепловой поток, Вт;

Q_вн - тепловая мощность, вносимая в аппарат горячим теплоносителем, Вт;

σ₁, σ₂ – массовый расход соответственно горячего и холодного теплоносителей, кг/с;

C_р1,C_р2 – средние массовые теплоемкости теплоносителей в интервале температур от Т’ до Т” , Дж/(кг*К);

η – коэффициент использования теплоты, η = 0,95-0,99.

Рис.3. – Графики изменения температуры по длине теплообменного аппарата.	Рис.4.– Схема движения теплообменителей в теплообменном аппарате а – прямоточная б - противоточная

Средний температурный напор для прямотока и противотока определяется из формул:

ΔТ_ср= , (2.6)

ΔТ_ср = , (2.7)

=0,6-1,67 разница между среднелогарифмическими (2.6) и среднеарифметическими (2.7) температурными напорами не превышает 3%.

Пренебрегая кривизной стенки, что допустимо, если < 2 , можно рассчитать коэффициент терплопередачи по формуле для плоской стенки:

(2.8)

где

– коэффициент теплоотдачи от горячего теплоносителя к поверхности стенки, Вт/(м²*К);

- коэффициент теплоотдачи от поверхности стенки к холодному теплоносителю, Вт/(м²*К);

– толщина стенок трубок, м;

- коэффициент теплопроводности материала стенки трубок, Вт/(м²*К);

Приближенные значения могут быть заданы, а более точные значения найдены из критериальных зависимостей.

Критериальное уравнение при вынужденном течении теплоносителя по трубам и каналам имеет следующий вид:

а) при ламинарном течении (2300<Re)

Nu_ж,d =0,15*Re_ж,d^0,33*P_rж^0.43 *σ_rж,d^0.1 ; (2.9)

б) при переходном течение (2300≤ Re< 10⁴)

Nu_ж,d=K₀P_rж^0,43 ; (2.10)

в) при турбулентном течении (Re>10⁴)

Nu=0,021Re_ж,d^0.2P_rж^0,43* ; (2.11)

где

- критерий Нуссельта;

- критерий Рейнольдса;

- критерий Грасгофа;

- коэффициент температуропроводности.

Индекс «ж» показывает, что все физические параметры (приложение) теплоносителя, входящие в критерии, следует принимать по средней температуре жидкости:

t_1ср= , Т_1ср = t_1ср+273, К (2.12)

t_2ср = , Т_2ср = t_2ср+273, К (2.13)

Индекс «с» у критерия показывает, что физические параметры теплоносителя, входящие в критерий, необходимо брать по температуре стенки.

2.2. Пластинчатый водоподогреватель

Наличие в щелевидных каналах пластинчатых подогревателей, образованных пластинами с гофрами, большого числа близко расположенных поворотов приводит к эффективной искусственной турбулизации потоков воды. На значение критического числа Рейнольдса влияют форма поверхности теплообмена, форма канала, а также источники искусственной турбулизации потоков.

При движении воды в круглой трубе в условиях стабилизированного потока область переходного режима лежит в пределах 2300<Re<10000. В извилистых каналах пластинчатых водоподогревателей переход к турбулентному режиму происходит при Re=200-500.

Учитывая исключительную сложность гидромеханических и тепловых явлений в непрерывно меняющемся турбулентном потоке вода в каналах пластичных подогревателей, задачу о теплоотдаче решают не аналитически, а экспериментально в форме связи между критериями подобия.

Институтом УКРНИИхиммаш на основе эксперимента получены зависимости для теплового расчета пластинчатых подогравателей всех типов, выпускаемых в настоящее время промышленностью. Так, для пластины типа 0,5Е (см. рис.2) при турбулентном движении воды получена следующая связь между критериями подобия:

Nu_ж,d =0,135*Re_ж,d^0,33*P_rж^0.43 (2.14)

В критерии введены обозначения:

α_экв – определяющий размер, м;

λ – коэффициент теплопроводности, Вт/(м*К);

υ – коэффициент кинетической вязкости, м²/с;

β – коэффициент объемного расширения, 1/К;

α – коэффициент температуропроводности, м²/с;

δТ – температурный напор (перепад) между стенкой и жидкостью;

ω – скорость течения теплоносителя, м/с;

g – ускорение свободного падения тела, м/с²

Ср – средняя массовая теплоемкость, кДж/(кг*К);

ρ – плотность, кг/м³;

К₀ – коэффициент, определяемый по величине критерия Рейнольдса.

При движении теплоносителя в тубах круглого сечения определяющим линейным размером является внутренний диамерт трубы d_экв=d_вн ,

Для каналов любого сечения d_экв = 4ƒ/u,

где

ƒ – площадь поперечного канала сечения, м²;

u – смоченный периметр сечения, м.

При течении теплоносителя в межтрубном пространстве вдоль пучка труб, расположенных в кажухе аппарата, эквивалентный диаметр равен:

d_экв2=

Для получения проверочного расчета теплообменника используются следующие дополнительные соотношения:

1. для прямотока:

- конечная температура горячего теплоносителя

t₁” = t₁’- (t₁’-t₂”)*П,

- конечная температура холодного теплоносителя

t₂” = t₂’+ (t₁”-t₂”) *П;

2. аналогично для противотока:

t₁” = t₁’- (t₁’-t₂’)*Z,

t₂” = t₂’+ (t₁’-t₂”) *Z.

Для определения функций П и Z составлены графики [3] и таблица [7].

После определения конечных температур тепловой поток рассчитывается по уравнению (2.1) или (2.2).

3. Задание

В одноходовом кожухотрубном скоростном водоподогревателе горячий топлоноситель движется в межтрубном пространстве и охлаждается от температуры Т’₁= 403К до Т”₁= 353К.

Внутренний диаметр кожуха аппарата D= 0,197 м. Холодный носитель движется внутри латунных трубок, наружный диаметр которых dн = 16*10^-3 м, а внутренний dв = 14*10^-3 м. Холодный теплоноситель нагревается от Т’₂= 293К до Т”₂= 318К.

Число латунных трубок в теплообменнике n = 50шт. Трубки теплообменника с внутренней стороны покрыты отложениями (накипью) толщиной σ_нак*10^-3= 1,1м Тепловая мощность, вносимая в аппарат горячим теплоносителем, Qвн = 750 кВт. Потери теплоты в окружающую среду составляют 5%.

Определить поверхность нагрева F и число секций N теплообменника.

Длина секции L≤5м.

Расчет производится для прямоточного и противоточного направлений движения теплоносителей, а также при наличии накипи на трубах и при ее отсутствии.

Известно также:

Холодный теплоноситель – вода;

Горячий теплоноситель – вода;

λ_с*10^-2 = 11,5 кВт./(м*К);

λ_нак*10^-2 = 1,2 кВт./(м*К);

α₁ = кВт./(м*К);

α₂ = кВт./(м*К).

Примечание: исходные данные варианта берутся из таблицы 4.1

10