Тепловой расчет рекуперативных теплообменников

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Тепловой конструктивный расчет рекуперативного кожухотрубчатого теплообменника

1.1 Расчет количества передаваемого тепла

1.2 Определение интенсивности процессов теплообмена

1.2.1 Расчет интенсивности теплоотдачи со стороны греющего теплоносителя

1.2.2 Расчет интенсивности теплоотдачи со стороны нагреваемого теплоносителя

1.3 Определение коэффициентов теплоотдачи

1.4 Определение расчетной площади поверхности теплообмена

1.5 Конструктивный расчет теплообменного аппарата

1.6 Определение температуры поверхности стенок трубы

1.7 Гидравлический расчет теплообменника

1.8 Определение толщины тепловой изоляции

2. Тепловой расчет пластинчатого теплообменника

2.1 Определение расходов и скоростей движения греющего и нагреваемого теплоносителя

2.2 Расчет интенсивности теплообмена при движении теплоносителей между пластинами

2.3 Определение площади поверхности теплообмена

2.4 Расчет гидравлических сопротивлений при движении теплоносителей

Литература

Введение

В данной курсовой работе нам необходимо провести тепловой конструктивный расчет рекуперативного кожухотрубчатого теплообменника и тепловой расчёт пластинчатого теплообменника в соответствии с заданными условиями.

Кожухотрубчатые теплообменники

Кожухотрубчатые теплообменники в настоящее время наиболее широко распространены, по некоторым данным они составляют до 80? от всей теплообменной аппаратуры. Основной частью такого теплообменника является пучок труб, закрепленных в трубных решетках. Трубки располагаются в трубном пучке в шахматном порядке или по вершинам треугольников. Одна из теплообменивающихся сред движется по трубкам, а другая - внутри корпуса между трубками.

Достоинством кожухотрубчатого теплообменника является возможность получения значительной поверхности теплообмена при сравнительно небольших габаритах. Недостатком является более высокий расход материала по сравнению с некоторыми современными типами теплообменных аппаратов (спиральными, пластинчатыми теплообменниками и т.д.). Кожухотрубчатые теплообменники могут быть вертикального и горизонтального исполнения. Оба варианта установки широко распространены и выбираются в основном по соображениям монтажа: вертикальные занимают меньшую площадь в цехе, горизонтальные могут быть размещены в сравнительно невысоком помещении. Материал изготовления кожухотрубчатых теплообменников - углеродистая или нержавеющая сталь.

Пластинчатые теплообменные аппараты

Пластинчатые теплообменные аппараты предназначены для осуществления процессов теплопередачи между различными рабочими средами, начиная от безкислородной воды системы отопления до химически активных промышленных жидкостей и сильно загрязненной соленой воды в гаванях приморских городов. Применяются в технологических линиях химической, нефтехимической, пищевой промышленности, а также в системах теплоснабжения и горячего водоснабжения взамен водо-водяных и пароводяных подогревателей бойлерного типа. Теплопередающая поверхность пластинчатого теплообменника состоит из набора пластин, попарно образующих каналы для прохода теплоносителей. Пакет пластин закрепляется между опорной и прижимной плитами и обтягивается прижимными болтами. Уплотнения каналов обеспечиваются прокладками или сваркой. Материал выбирается стойким по отношению к рабочим средам: это резиновые смеси на основе бутадиен-стирольных, нитрильных, фторированных и этилен-пропилен-диеновых каучуков.

Количество, размер, толщину и профиль теплообменных пластин определяет:

a) расход теплоносителей,

b) физические свойства жидкостей,

c) температурный режим

d) оптимальная гидравлика.

Материал теплопередающих пластин - это нержавеющая сталь различного химического состава, в том числе и пищевая, и титан.

Пластины, собранные в пакет, за счет гофр имеют большое количество точек соприкосновения, что способствует повышению турбулентности потока, соответственно пониженную склонность к загрязнениям и обеспечивает повышенную жесткость конструкции.

Высокий коэффициент теплопередачи К = 1900-5000 Вт/мК при относительно небольшой разности давлений позволяет избежать дополнительных расходов на приобретение мощных насосов. Минимальный перепад температур между греющей средой на входе и нагреваемой средой на выходе может не превышать 1°С.

Патрубки теплообменника размещены на опорной плите, что позволяет выполнять ремонтно-профилактические работы без отсоединения теплообменника от подводящих и отводящих трубопроводов.

Чистка пластинчатых теплообменников происходит реже, чем кожухотрубных, и с гораздо меньшими затратами по времени разборки-сборки и трудоемкости. А в случае химической чистки разборка не нужна, следовательно, долговечность теплообменника повышается.

1. Тепловой конструктивный расчет рекуперативного кожухотрубчатого теплообменника

Кожухотрубчатые теплообменные аппараты могут использоваться в качестве теплообменников, холодильников, конденсаторов и испарителей. Теплообменники предназначены для нагрева и охлаждения, а холодильники -- для охлаждения (водой или другим нетоксичным, непожаро- и невзрывоопасным хладагентом) жидких и газообразных сред. Кожухотрубчатые теплообменники могут быть следующих типов: ТН - теплообменники с неподвижными трубными решетками; ТК - теплообменники с температурными компенсаторами на кожухе и жестко закрепленными трубными решетками; ТП - теплообменники с плавающей головкой, жестким кожухом и жестко закрепленной трубной решеткой; ТУ - теплообменники с U-образными трубками, жестким кожухом и жестко закрепленной трубной решеткой; ТС - теплообменники с сальником на плавающей головке, жестким кожухом и жестко закрепленной трубной решеткой (рисунок 1, Приложение 1).

Наибольшая допускаемая разность температур кожуха и труб для аппаратов типа Н может составлять 20-60 єС, в зависимости от материала кожуха и труб, давления в кожухе и диаметра аппарата.

Теплообменники и холодильники могут устанавливаться горизонтально или вертикально, быть одно-, двух-, четырех- и шестиходовыми по трубному пространству. Трубы, кожух и другие элементы конструкции могут быть изготовлены из углеродистой или нержавеющей стали, а трубы холодильников - из латуни. Распределительные камеры и крышки выполняют из углеродистой стали.

Данный расчет проводится для определения площади поверхности теплообмена стандартного водо-водяного рекуперативного теплообменника, в котором греющая вода поступает в трубы, нагреваемая вода - в межтрубное пространство.

Задание: Выполнить тепловой конструктивный расчет водо-водяного рекуперативного подогревателя производительностью Q. Температура греющего теплоносителя на входе в аппарат =125 єС. Температура нагреваемого теплоносителя на входе в теплообменник =75 єС, изменение температуры нагреваемого теплоносителя в аппарате К.

Массовый расход греющего теплоносителя - кг/с, нагреваемого теплоносителя- кг/с. Поверхность нагрева выполнена из труб диаметром мм. Трубы в трубной решетке расположены по вершинам равносторонних треугольников. L-длина труб, предварительно принимается равной 3,0 м. Схема движения теплоносителей - противоток. Материал труб теплообменного аппарата выбирается в соответствии с вариантом. Потерями тепла в окружающую среду пренебречь. Мм

1.1 Расчет количества передаваемого тепла

Уравнение теплового баланса для теплового аппарата имеет вид:

(1.1)

где Q₁ - количество теплоты в единицу времени, отданное греющим теплоносителем, Вт;

Q₂ - количество теплоты в единицу времени, воспринятое нагреваемым теплоносителем, Вт;

?Q - потери теплоты в окружающую среду, Вт.

Т.к ?Q = 0 по условию, то количество передаваемого тепла, в единицу времени через поверхность нагрева аппарата, Вт

, (1.2)

(1.3)

где с_р1 и с_р2 - средние удельные массовые теплоёмкости греющего и нагреваемого теплоносителей, в интервале изменения температур от t'₁ до t''₁ и от t'₂ до t''₂ соответственно, кДж/(кгК);

М₁ и М₂ - массовые расходы греющего и нагреваемого теплоносителей соответственно, кг/с.кожухотрубчатый пластинчатый теплообменник расчёт

Температура нагреваемого теплоносителя на выходе из теплообменника, ?С

, (1.4)

Средняя температура нагреваемого теплоносителя, ?С

, (1.5)

По температуре t₂ определяем значение с_р2 методом линейной интерполяции по табл. П. 1.1

Количество теплоты в единицу времени, воспринятое нагреваемым теплоносителем, Вт

, (1.6)

Определяем с помощью табл.П.1.1 определяем среднюю удельную массовую теплоёмкость с_р1 греющего теплоносителя при температуре t₁'.

Для условия Q₁=Q₂ определяется температура греющего теплоносителя на выходе из теплообменника, ?С

, (1.7)

Средняя температура греющего теплоносителя

, (1.8)

Уточняется количество теплоты, отданное греющим теплоносителем в единицу времени, Вт

,(1.9)

Рассчитывается величина относительной погрешности ? , которая не должна превышать 3%.

, (1.10)

1.2 Определение интенсивности процессов теплообмена

В основу расчета коэффициентов теплоотдачи между теплоносителями и поверхностью стенки положены критериальные уравнения, полученные в результате обработки многочисленных экспериментальных данных и их обобщения на основе теории подобия.

1.2.1 Расчет интенсивности теплоотдачи со стороны греющего теплоносителя

По среднеарифметическому значению температуры определяются значения физических свойств греющего теплоносителя (табл. П. 1.1)

с₁ - плотность, кг/м³;

н₁ - кинематический коэффициент вязкости, м²/с;

л₁ - критерий теплопроводности, Вт/(м К);

Pr₁ - критерий Прандтля.

Плотность:

Кинематический коэффициент вязкости:

Критерий теплопроводности:

Критерий Прандтля:

В первом приближении температура стенки:

, (1.11)

По t_ст определяем методом интерполяции Pr_ст.

Критерий Рейнольдса для потока греющего теплоносителя:

(1.12)

где w₁ - средняя скорость теплоносителя, м/с.

Эту скорость рекомендуется предварительно принимать в пределах w₁=(1-3) м/с.

В результате сравнения вычисленного значения критерия Рейнольдса с критическим числом Re_кр=2300, устанавливаем, что в трубах турбулентный режим течения жидкости, т.к. Re₁> Re_кр. При таком режиме число Нуссельта определяется по критериальной зависимости:

(1.13)

Коэффициент теплоотдачи от горячего теплоносителя к стенке трубы, Вт/(м² К)

(1.14)

1.2.2 Расчет интенсивности теплоотдачи со стороны нагреваемого теплоносителя

По среднеарифметическому значению температуры t₂ определяются значения физических свойств греющего теплоносителя (табл. П. 1.1)

с₂ - плотность, кг/м³;

н₂ - кинематический коэффициент вязкости, м²/с;

л₂ - критерий теплопроводности, Вт/(м К);

Pr₂ - критерий Прандтля.

Плотность:

Кинематический коэффициент вязкости:

Критерий теплопроводности:

Критерий Прандтля:

Критерий Рейнольдса для потока греющего теплоносителя

(1.16)

где w₁ - средняя скорость теплоносителя, м/с. Эту скорость рекомендуется предварительно принимать в пределах w₁=(1-2) м/с.

В результате сравнения вычисленного значения критерия Рейнольдса с критическим числом Re_кр=2300, устанавливаем, что в трубах турбулентный режим течения жидкости, т.к. Re₁>Re_кр. При таком режиме число Нуссельта определяется по критериальной зависимости:

, (1.17)

Коэффициент теплоотдачи от горячего теплоносителя к стенке трубы,Вт/(м² К)

, (1.18)

1.3 Определение коэффициента теплопередачи

Т.к. (d_н/d_в)<2, то коэффициент теплопередачи для плоской поверхности теплообмена с достаточной точностью определяется по формуле, Вт/(м² К)

(1.19)

где r₃₁ и r₃₂ - термические сопротивления слоёв загрязнения с обеих сторон стенки при среднем качестве воды.

у_ст - толщина стенки, м;

л_ст - коэффициент теплопроводности материала трубок, л_ст=125.651 Вт/(мК) (табл. П.1.3).

Толщина стенки трубки вычисляется по формуле:

, (1.20)

Тогда коэффициент теплопередачи будет равен:

1.4 Определение расчетной площади поверхности теплообмена

В аппаратах с противоточным движением теплоносителей средняя разность температур потоков определяется как среднелогарифмическая между большей и меньшей разностями температур теплоносителей на концах аппарата:

, (1.21)

, (1.21)

(1.22)

где ?t_б - большая разность температур, К;

?t_м - меньшая разность температур, К

График для определение и представлен на рис.1.

При сложном взаимном движении теплоносителей, например, как в данном задании, при смешанном и перекрестном токе в многоходовых теплообменниках, средняя разность температур теплоносителей определяется с учетом поправки е_?t<1

(1.23)

Для нахождения поправочного коэффициента е_?t вычисляем вспомогательные коэффициенты:

, (1.24)

, (1.25)

,

По графику для определения поправки е_?t при перемешивании одного теплоносителя, е_?t=0.98. Тогда

Поверхностная плотность теплового потока, Вт/м²

,(1.26)

Из основного уравнения теплопередачи определяется необходимая поверхность теплообмена, м²:

,(1.27)

По рассчитанной площади и заданному диаметру труб выбираем стандартный теплообменный аппарат (табл. П. 1.5), характеристики которого сводим в таблицу 1:

Таблица 1 - Параметры кожухотрубчатого теплообменника сварной конструкции с неподвижными трубными решетками

D кожуха, мм	d труб, мм	Число ходов	Общее число труб, шт	Поверхность теплообмена, в м2	Длина труб, м	Площадь сечения потока в вырезе перегородок, м2,102	Площадь сечения потока между перегородками, м2, 102	Площадь сечения одного хода по трубам м2, 102
325	20x2	1	100	19	3.0	1.1	2.0	2.0

Пересчитываются скорости движения и критерий Рейнольдса для греющего и нагреваемого теплоносителей, м/с

,

(м/с),

,

(м/с)

где - площадь сечения одного хода по трубам, (м²);

- площадь сечения межтрубного пространства между перегородками, (м²).

,

1.5 Конструктивный расчет теплообменного аппарата

Определяется число труб в теплообменнике:

, (1.28)

где F_c - площадь поверхности теплообмена стандартного теплообменника, м²

L_с - длинна труб одного хода стандартного теплообменного аппарата, м².

По условию трубы по сечению трубной решетки расположены по вершинам равносторонних треугольников. Количество трубок, расположенных по сторонам большего шестиугольника:

,(1.29)

Количество трубок, расположенных по диагонали шестиугольника:

, (1.30)

Число рядов труб, обмываемых теплоносителем в межтрубном пространстве, приближенно можно принять равным 0,5b, т.е

,(1.31)

Рассчитываем шаг между трубами:

, (1.32)

Рассчитанную величину шага между отверстиями в трубной решетки сравниваем со стандартным значением:

Полученное значение t=26мм, стандартное значение t при d_н = 20мм, t=26мм

Внутренний диаметр кожуха двухходового теплообменника, мм:

, (1.33)

Вычисленные значения D_в и n сопоставляем со стандартными величинами, делаем вывод: вычисленные значения D_в=325мм и n=100, а стандартные значения этих величин равны 325мм и 100 соответственно.

Все вычисленные значения заносим в таблицу 2

Таблица 2 - Расчетные параметры теплообменника

Расчетный параметр	Численное значение
Число труб в теплообменнике	100
Число трубок, расположенных по сторонам большего шестиугольника	6
Число трубок, расположенных по диагонали шестиугольника	11
Число рядов труб, обмываемых теплоносителем в межтрубном пространстве	6
Шаг между трубами	0,026 м
Внутренний диаметр кожуха двухходового теплообменника	325мм

1.6 Определение температуры поверхности стенок трубы

Термическое сопротивление теплоотдачи от греющего теплоносителя к поверхности загрязнений, (м²К)/Вт:

(1.34)

где -коэффициент теплоотдачи от горячего теплоносителя к стенке трубы, Вт/(м² К), =.

Тогда термическое сопротивление теплоотдачи от греющего теплоносителя к поверхности загрязнений будет равно:

Термическое сопротивление слоя отложений со стороны греющего теплоносителя, (м²К)/Вт:

(1.35)

где (1/r₃₁) - тепловая проводимость слоя отложений со стороны греющего теплоносителя, (1/r₃₁) = Вт/(м² К).

Тогда термическое сопротивление слоя отложений со стороны греющего теплоносителя будет равно:

Термическое сопротивление стенки трубы, (м²К)/Вт

(1.36)

где у_ст - толщина стенки трубки, м;

л_ст - коэффициент теплопроводности стенки, л_ст =26.978 Вт/(м К).

Термическое сопротивление слоя отложений со стороны нагреваемого теплоносителя, (м²К)/Вт

(1.37)

где (1/r₃₂) - тепловая проводимость слоя отложений со стороны нагреваемого теплоносителя, (1/r₃₂) = Вт/(м² К).

Термическое сопротивление теплоотдачи от стенки загрязнений к нагреваемому теплоносителю, (м²К)/Вт:

где - коэффициент теплоотдачи от стенок трубного пучка к нагреваемому теплоносителю, = Вт/(м² К).

Тогда:

(1.38)

Аналитически температура стенок трубы определяются по формулам:

, (1.39)

, (1.40)

,

Для проверки температуру стенки определяют графическим способом.

По нашим расчетам, график представлен на рис. 2.

1.7 Гидравлический расчет теплообменника

Целью гидравлического расчета является определение величины потери давления теплоносителей при их движении через теплообменный аппарат.

Полное гидравлическое сопротивление при движении жидкости в трубах теплообменного аппарата определяется выражением, Па:

(1.41)

где ?Р_тр - гидравлическое сопротивление трения, Па;

?Р_м - потери давления, обусловленные наличием местных сопротивлений; складываются из сопротивлений, возникающих в связи с изменением площади сечения потока, обтекания препятствий, Па.

(1.42)

где л - коэффициент трения;

z - число ходов теплоносителя по трубному пространству, z = 1.

Для греющего теплоносителя:

Гидравлическое сопротивление трения находится по формуле:

(1.43)

Коэффициент трения л определяется по формуле:

(1.44)

где е - относительная шероховатость труб, е = ?/d_в. ;? - высота выступов шероховатостей, ?= 0.2 мм.

(1.45)

Тогда коэффициент трения л будет равен:

(1.46)

Тогда гидравлическое сопротивление трения будет равно:

Потери давления, обусловленные наличием местных сопротивлений, Па

(1.47)

где о_м1 - сумма коэффициентов местных сопротивлений трубного пространства;

где о_вх.к=1.5 и о_вых.к = 1.5- коэффициенты сопротивлений входной и выходной камер соответственно (Табл. П. 1.7);

о_вх.тр=1 и о_вых.тр=1 - соответственно коэффициенты сопротивлений входа в трубы и выхода из них (Табл. П. 1.7);

о_пов=2.5 - коэффициент сопротивления поворота между ходами (Табл. П.1.7).

Тогда:

(1.48)

Потери давления, обусловленные наличием местных сопротивлений будут равны:

Величина потерь давления греющего теплоносителя в теплообменном аппарате, Па

,

Для нагреваемого теплоносителя:

Величина потерь давления нагреваемого теплоносителя в межтрубном пространстве теплообменника, Па

(1.49)

где о_м2 - сумма коэффициентов местных сопротивлений трубного пространства.

(1.50)

где о_вх=1.5 и о_вых=1.5- коэффициенты сопротивлений входа и выхода жидкости соответственно (Табл. П.1.7);

о_сег=1.5 - коэффициент, определяющий поворот через сегментную перегородку (Табл. П.1.7);

о_п.тр - коэффициент сопротивления пучка труб (Табл. П.1.7);

x - число сегментных перегородок (табл. П.1.9), x = 14.

о_п.тр находится по формуле:

(1.51)

Тогда сумма коэффициентов местных сопротивлений трубного пространства, будет равна:

Величина потерь давления нагреваемого теплоносителя в межтрубном пространстве теплообменника, Па

1.8 Определение толщины тепловой изоляции аппарата

Тепловая изоляция представляет собой конструкцию из материалов с малой теплопроводностью, покрывающую наружные поверхности оборудования, трубопроводов для уменьшения тепловых потерь.

Толщину тепловой изоляции находят из равенства удельных тепловых потоков через слой изоляции и от поверхности изоляции в окружающую среду:

(1.52)

где t^”_ст - температура изоляции со стороны окружающей среды, которая не должна превышать 45?С, t^”_ст = 40?С;

б_в - коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности изоляционного материала в окружающую среду, Вт/м² К, при расчетах принимать б_в = (5 - 20) Вт/м² К, б_в =20 Вт/м² К;

t'_ст - температура изоляции со стороны аппарата. (ввиду незначительного термического сопротивления стенки аппарата по сравнению с термическим сопротивлением изоляции, t'_ст принимают равной средней температуре нагреваемого теплоносителя, t'_ст = t₂ = 81.5?С);

t_в - температура окружающей среды (для изолируемых поверхностей, расположенных в помещении принимается t_в = 20?С);

л_и - коэффициент теплопроводности изолятора, Вт/(м К).

Если в качестве изолятора принять полотно стеклянное теплоизоляционное марки ИПС-Т-1000, ТУ 6-11-570-83, то коэффициент теплопроводности изолятора:

(1.53)

где t_Т - средняя температура теплоизоляционного слоя, ?С.

Тогда

Толщина тепловой изоляции:

, (1.54)

2.  Тепловой расчет пластинчатого теплообменника

В пластинчатых теплообменниках поверхность теплообмена образована набором тонких штампованных гофрированных пластин. Эти аппараты могут быть разборными, полуразборными и неразборными (сварными). В пластинах разборных теплообменников (рисунок1, Приложение 2) 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 теплоноситель движется только в одном направлении (сверху вниз или наоборот), составляет пакет. Пакет по существу аналогичен одному ходу по трубам в многоходовых кожухотрубчатых теплообменниках. На рисунках 1 и 2 Приложения 2 даны примеры компоновки пластин. При заданном расходе теплоносителя увеличение числа пакетов приводит к увеличению скорости теплоносителя, что интенсифицирует теплообмен, но увеличивает гидравлическое сопротивление. Дополнительный канал со стороны хода нагреваемой воды предназначен для охлаждения плиты и уменьшения теплопотерь.

В соответствии с каталогом ЦИНТИ химнефтемаш (М., 1990) выпускаются теплообменники пластинчатые следующих типов: полуразборные (РС) с пластинами типа 0,5Пр и разборные (Р) с пластинами типа 0,3р и 0,6р.

Технические характеристики указанных пластин и основные параметры теплообменников, собираемых из этих пластин, даны в таблицах 1 и 2 Приложения 2.

Допускаемые температуры теплоносителей определяются термостойкостью резиновых прокладок. Для теплообменников, используемых в системах теплоснабжения, обязательным является применение прокладок из термостойкой резины, марки которой приведены в табл. 3, приложения 2.

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 (м²), затем - конструктивное исполнение (в соответствии с табл. 1 Приложения 2), марка материала пластины и марка материала прокладки (в соответствии с табл. 3 Приложения 2). После условного обозначения приводится схема компоновки пластин.

Пример условного обозначения пластинчатого разборного теплообменного аппарата: теплообменник Р 0,6р-0,8-16-1К-01 - теплообменник разборный (Р) с пластинками типа 0,6р, толщиной 0,8 мм, площадью поверхности теплообмена 16 м², на консольной раме, в коррозионно-стойком исполнении, материал пластин и патрубков - сталь 12Х18Н10Т; материал прокладки - теплостойкая резина 359; схема компоновки:

,

что означает над чертой - число каналов в каждом ходу для греющей воды, под чертой - то же, для нагреваемой воды.

При оптимальной компоновке пластин число пакетов для горячего и холодного теплоносителя может быть неодинаковым. В условном обозначении схемы компоновки число слагаемых в числителе соответствует числу пакетов (последовательных ходов) для горячего теплоносителя, в знаменателе - для холодного; каждое слагаемое означает число параллельных каналов в пакете.

Из рассматриваемых трех теплообменников наиболее целесообразно применение теплообменников РС 0,5Пр, поскольку эти теплообменники надежно работают при рабочем давлении до 1,6 МПа (16 кгс/см²). Пластины попарно сварены по контуру образуя блок. Между двумя сваренными пластинами имеется закрытый (сварной) канал для теплофикационной греющей воды. Разборные каналы допускают давление в них до 1 МПа.

Теплообменники типа Р 0,3р могут применяться в системах теплоснабжения при отсутствии теплообменников типа РС 0,5Пр и параметрах теплоносителей до 1,0 МПа (до 10 кгс/см²), до 150 °С и перепаде давлений между теплоносителями не более 0,5 МПа (5 кгс/см²).

Применение теплообменников типа Р 0,6р (титан) в системах теплоснабжения ограничено и допустимо только при отсутствии теплообменников РС 0,5Пр и Р 0,3р при параметрах теплоносителей не более 0,6 МПа (6 кгс/см²) до 150 °С и перепаде давлений теплоносителей не более 0,3 МПа (3 кгс/см²).

Задание: Рассчитать однопакетный пластинчатый теплообменник для системы горячего водоснабжения ЦТП если известны параметры: нагрузка на отопление (ГВС) - Q = 444.7 кВт; температуры греющей (сетевой) и нагреваемой воды на входе и выходе теплообменника, соответственно: - °C, °C, °C, °C. Принять равное число параллельных каналов в пакете для греющего и нагреваемого теплоносителей.

2.1 Определение расходов и скоростей греющего и нагреваемого теплоносителей

Средняя температура теплоносителей:

, (2.1)

,(2.2)

По среднелогарифмическому значению температур t₁, t₂ определяем значения физических свойств греющего и нагреваемого теплоносителей (табл. П. 1.1).

с_1, с₂ - плотность, кг/м³;

н_1, н₂ - кинематические коэффициенты вязкости, м²/с;

л_1, л₂ - коэффициенты теплопроводности, Вт/(м К);

Pr_1, Pr₂ - критерий Прандля.

Плотность:

Кинематические коэффициенты вязкости:

Критерии теплопроводности:

Критерии Прандтля:

Массовые расходы теплоносителей, кг/с

,(2.3)

, (2.4)

,

Так как по максимальному расходу из таблицы выбирается тип пластин, а в таблице единицей измерения расхода является м³/ч, то

,(2.5)

,(2.6)

,

По максимальному расходу определяем пластины типа 0,3р. Техническую характеристику пластин заносим в таблицу 3

Таблица 3 - Техническая характеристика пластин

Показатель	Пластина типа 0,3р
Габариты, мм (длинаЧширинаЧтолщина)	1370Ч300Ч1
Поверхность теплообмена, м2	0,3
Вес (масса), кг	3,2
Эквивалентный диаметр канала, м	0,008
Площадь поперечного сечения	0,0011
Смачиваемый периметр в поперечном сечении канала, м	0,66
Ширина канала, мм	150
Зазор для прохода рабочей среды в канале, мм	4
Приведенная длина канала, м	1,12
Площадь поперечного сечения коллектора (угловое отверстие на пластине), м2	0,0045
Наибольший диаметр условного прохода присоединяемого штуцера, мм	65 (80)
Коэффициент общего гидравлического сопротивления
Коэффициент гидравлического сопротивления штуцера	1,5

Эквивалентный диаметр сечения канала, м

, (2.7)

где f_k- площадь поперечного канала между пластинами, f_k=0,0011м²;

Р- смачиваемый периметр в поперечном сечении канала, Р=0,66м.

Число каналов в пакете:

(2.8)

где w₁=w_опт=(0,3ч0,5)м/с - скорость воды в каналах, т.к при расчете пластинчатого водоподогревателя оптимальная скорость теплоносителя принимается исходя из получения таких же потерь давления в установке по нагреваемой воде, как при применении кожухотрубчатого водоподогревателя (100ч150кПа):

Скорость второго теплоносителя:

, (2.9)

2.2 Расчет интенсивности теплообмена при движениитеплоносителей между пластинами

Критерии Рейнольдса для каждого теплоносителя:

, (2.10)

, (2.11)

,

Критерий Прандтля для каждого из теплоносителей:

, (2.12)

, (2.13)

,

Определяем критерий Нуссельта для греющего и нагреваемого теплоносителей, т.к. Re ? 50, то при турбулентном режиме:

, (2.14)

, (2.15)

, (2.15)

Коэффициенты теплоотдачи от греющего теплоносителя к поверхности стенки и от поверхности стенки к нагреваемому теплоносителю соответственно, Вт/(м² К)

, (2.16)

, (2.17)

,

2.3 Определение площади поверхности теплообмена

Применяем значения с термическим сопротивлением слоев воды хорошего качества с двух сторон стенки, т. к. относительный запас поверхности теплообмена не должен превышать 3%, а при средней качестве воде он составляет 178%, то я меняю воду с среднего качества на воду хорошего качества, тогда r₃₁=1/4500 м² К/Вт и r₃₂=1/5800 (м² К)/Вт.

В качестве материала для пластин и патрубков - сталь 12X18H10T. По средней температуре t_ст определяем коэффициент теплопроводности стенки л_ст:

Суммарное термическое сопротивление, (м² К)/Вт

(2.18)

где у_ст - толщина стенки пластины, у_ст = м.

Тогда суммарное термическое сопротивление будет равно:

Коэффициент теплопередачи, Вт/(мК)

(2.19)

Расчетная поверхность теплообмена, м

, (2.20)

Фактическая поверхность теплообмена, м

, (2.21)

Рассчитывается относительный запас площади поверхности теплообмена, значение которого не должно превышать 3%:

,(2.22)

2.4 Расчет гидравлических сопротивлений при движении теплоносителей

(2.23)

где - коэффициент общего гидравлического сопротивления, =19.3;

l - приведенная длина канала, l = 1.12 м.

Тогда:

ЛИТЕРАТУРА

1. Дытнерский, Ю.И. Основные процессы и аппараты химической технологии. Курсовое проектирование / Ю.И. Дытнерский, Г.С. Борисов, В.П. Брыков. - М.: Химия, 1991. - 412 с.

2. Копко, В.М. Пластинчатые теплообменники в системах централизованного теплоснабжения. Курсовое и дипломное проектирование: учебное пособие. / В.М. Копко, М.Г. Пшоник. - Мн.: БНТУ, 2005. - 199 с.

3. Нащокин, В.В. Техническая термодинамика и теплопередача /В.В. Нащокин. - М.: Высш. шк., 1980. - 469 с.

4. Проектирование тепловых пунктов. СП-41-101-95.

5. Промышленная теплоэнергетика и теплотехника: Справочник /под общей ред. В.А. Григорьева, В.М. Зорина. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - Кн. 4. - 586 с.

6. Методические указания к курсовой работе по одноименному курсу для студентов специальности 1-43 01 05 «Промышленная теплоэнергетика» /авт.-сост.: А.В. Овсяник, М.Н. Новиков, А.В. Шаповалов. - Гомель: Учреждение образования «Гомельский государственный технический университет имени П.О Сухого».2006.-37 с.

7. Размещено на Allbest.ru

...