Розрахунок теплообмінників

Размещено на http://www.allbest.ru/

ПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ, СИМВОЛІВ, ОДИНИЦЬ, СКОРОЧЕНЬ І ТЕРМІНІВ

a - ширина газоходу, м;

b - висота газоходу, м;

- коефіцієнт, що враховує вплив дисперсності золи, обумовленою залишком на ситі R₁₀ ;

- поправочний коефіцієнт, що враховує вплив діаметра труб d;

c_p - теплоємність теплоносія, ;

c_k - сторона квадратного ребра, м;

- поправочний коефіцієнт, що враховує вплив відносного поперечного кроку труб в пучку S₁;

C_t - поправка у формулі для визначення коефіцієнта тепловіддачі від

стінки до внутрішнього середовища, що враховує напрямок теплового потоку і фізичну природу теплоносія;

C_q - поправка у формулі для визначення коефіцієнта тепловіддачі

конвекцією, що враховує вплив форми пучка на процес теплообміну;

C_z - коефіцієнт у формулі для визначення коефіцієнта тепловіддачі

конвекцією, що враховує вплив кількості поперечних рядів у пакеті труб на процес теплообміну;

- поправочний коефіцієнт, що залежить від коефіцієнта оребрения

труби і кута навивки ребер на трубу г

d - діаметр труби, що несе оребрення, м;

D - зовнішній діаметр оребреної труби (діаметр переферії ребра), м;

D - масова витрата теплоносія, ;

Е - коефіцієнт теоретичної ефективності ребра;

f - площа живого перетину для проходу внутрішнього теплоносія, м²;

F - мінімальна площа живого перетину, м²;

G - об'ємна витрата димового газу, ;

h - висота ребер, м;

Н - площа поверхні теплообміну, м²;

h - ентальпія води, ;

k - коефіцієнт теплопередачі, ;

K - коефіцієнт у формулі для визначення коефіцієнта тепловіддачі від стінки до середовища;

l - довжина оребреної труби, м;

m - маса частини труби, кг;

n_x - число заходів змійовиків, шт.;

n_p - кількість ребер на оребреній трубі;

P - тиск теплоносія, Па;

Q - теплова потужність теплообмінника, Вт;

R_К - контактний термічний опір, ;

S - крок ребер, м;

S₁ - поперечний крок пучка труб, м;

S₂ - поздовжній крок пучка труб, м;

S'₂ - діагональний крок пучка труб, м;

t - температура води, ;

t_р - середня температура ребра, ;

V - об'єм частини труби (ребра), ;

w - швидкість теплоносія, ;

Х - параметр форми пучка;

z - кількість труб у теплообміннику, шт.;

z₁ - число поперечних рядів труб у теплообміннику, шт.;

z₂ - число поздовжніх рядів труб у теплообміннику, шт.;

- коефіцієнт тепловіддачі, ;

- параметр ребра, ;

_р - товщина ребра, м;

- коефіцієнт забруднення, ;

- вихідний коефіцієнт забруднення, ;

- емпірична поправка, що враховує конкретну умову експлуатації;

- температурний напір, ;

- параметр пучка;

- коефіцієнт теплопровідності, ;

- коефіцієнт динамічної в'язкості, ;

- поправочний коефіцієнт, який враховує потовщення ребра біля його основи;

- коефіцієнт кінематичної в'язкості, ;

- температура димового газу, ;

- густина теплоносія, ;

- відносна крокова характеристика;

- питомий об'єм, ;

- коефіцієнт теплової ефективності;

- поправочний коефіцієнт;

- коефіцієнт оребрення;

Р- витрата на закупку матеріалів, ;

Числа подібності

- число Прандтля;

- число Рейнольдса для води.

Індекси

' - вхідна фаза;

'' - вихідна фаза;

^д - дійсний;

_т^” - стінка (товщина);

1пр - приведений;

2 - відповідає поверхні між стінкою і водою;

M - показник степеня у формулі для визначення коефіцієнта тепловіддачі конвекцією;

n - паралельно включені труби;

- сумарний;

ал. - алюміній;

ал.заг. - алюмінієва заготовка;

ал.ор - алюмінієва оребрена частина труби;

ал.тр - алюмінієва частина труби;

в - вода;

вн - внутрішній;

г - газ;

гиб. - гиб;

зовн - зовнішній;

к - контактний;

кр - критичний;

Н₂О - водяна пара;

ор - оребрена ділянка труби;

р - ребро;

р.с. - ділянка труби в межах газоходу;

ср - середнє значення;

ст. - сталь;

ст.тр. - сталева частина труби;

сум. - сумарний;

т - стінка сталевої труби;

у - умовний;

Скорочення

АД-1 - технічний алюмінієво-магнієвий сплав без легування, з обробкою методом зміцнення тиском;

ВГТ - водогазовий теплообмінник;

ТОА - теплообмінний апарат.

ВСТУП

Конструкції теплообмінників дуже різноманітні. Найпоширеніший вид теплообмінників - трубчастий (простий в роботі і надійний по конструкції). Теплообмінник найефективніше працює, коли відбувається поздовжнє обтікання труб, причому в напрямі, протилежному напряму течії. Але, щоб знизити гідравлічний опір руху середовища в міжтрубному просторі або з розумів компоновки, застосовують поперечне обтікання.

На виготовлення теплообмінників витрачається велика кількість дефіцитних матеріалів. Тому величезне значення для економії металу і виробничих площ має зниження габаритів теплообмінників і їх маси. [3]

Велика кількість розробок інтенсифікованих поверхонь пов'язана із створенням умов для руйнування на ребрі потовщених прикордонних шарів і створення по всій поверхні ребравихрової течії. Досягти цього можна за рахунок гофрування поперечних ребер їх перфорування, використання труб з розрізними, сегментними чи пелюстковими ребрами. Пучки труб з розрізним оребренням отримують з труб із звичайним гвинтовим оребренням шляхом розрізання ребер на короткі ділянки тонкою фрезою уздовж осі труби, або по гвинтовій лінії під кутом 45⁰. Розрізання практично не зменшує поверхню ребер і дозволяє інтенсифікувати тепловіддачу на 12-35%.[1]

Таким чином, зі всього вищесказаного можна зробити остаточний висновок про можливі шляхи інтенсифікації теплообміну в трубчастих теплообмінних пристроях, тобто про шлях підвищення тепло-аеродинамічної ефективності теплообмінної поверхні:

- вибір оптимальної форми поперечного перерізу труб і співвідношення його розмірів;

- визначення оптимальної орієнтації профільного перерізу по відношенню до напряму набігаючого потоку;

- оптимізація параметрів розміщення труб в пучку;

- застосування сегментного обребрення;

- вибір оптимального кута нахилу ребристих труб по відношенню до напряму набігаючого потоку;

- турбулізація потоку на вході в теплообмінниках з малим числом рядів;

- вживання конструктивних заходів, що дають можливість включити в інтенсивний теплообмін малоефективні ділянки поверхні ребристої труб

1. ЛІТЕРАТУРНИЙ ОГЛЯД

теплообмінник апарат конструкція

В теплообмінних апаратах один теплоносій (тепловіддающий) передає теплоту іншому теплоносію (теплосприймаючому). За принципом роботи ТОА поділяються на поверхневі та контактні. Поверхневі в свою чергу поділяються на регенеративні та рекуперативні. В регенеративних ТОА теплота від одного теплоносія до іншого передається наступним чином: стінка, яка знаходиться почергово в контакті то з гарячим, то з холодним теплоносієм, передає тепло від одного теплоносія до другого. В рекуперативних ТОА теплота передається від одного теплоносія до іншого через розділяючи їх тверду стінку [1].

1.1 Класифікація теплообмінних апаратів

В основу класифікації рекуперативних теплообмінників можуть бути покладені різні принципи: залежно від металів з яких виготовляються, в залежності від виду робочих середовищ і змін агрегатного стану , за схемами току теплоносіїв, а також за формою поверхні.

Залежно від виду робочих середовищ розрізняються теплообмінники:

- рідинно-рідинні - при теплообміні між двома рідкими середовищами;

- паро-рідинні - при теплообміні між парою й рідиною (парові підігрівники, конденсатори);

- газорідинні - при теплообміні між газом і рідиною (холодильники для повітря) і ін.

В залежності від зніми агрегатного стану теплоносія:

- зі зміною агрегатного стану одного із теплоносіїв;

- зі зміною агрегатного стану обох теплоносіїв;

- без зміни агрегатного стану.

В залежності від напрямку току теплоносія розрізняють прямоточні, протиточні, перехресного і змішаного току. У теплообмінниках прямоточного типу два теплоносія рухаються паралельно один одному, але в одному й тому ж напрямку. Схематично такий теплообмінник зображений на рисунок 1.1.

Рисунок 1.1 -- Схема теплообмінника з прямоточним рухом теплоносіїв

При значній зміні температури теплоносіїв різність температур, що є у наявності, у такому теплообміннику використовується не в повній мірі. У такому випадку, якщо ефективність передачі теплоти є визначаючим параметром при проектуванні, теплообмінні апарати такого типу не використовуються. Однак температура стінки, що передає тепло, в таких теплообмінниках виявляється більш однорідною, ніж у протиточних.

У протиточному теплообміннику два теплоносія рухаються паралельно один одному, але у протилежних напрямках. Цей тип течії схематично представлений на рисунок 1.2, де зображена одиночна труба відносно малого діаметру, розташована коаксійно всередині труби великого діаметру. Один теплоносій тече у внутрішній трубі, інший - у кільцевому просторі між двома трубами. На практиці всередині однієї труби великого діаметру (кожуху) може бути розташована велика кількість труб.

На рисунок 1.3 буквою Т позначена температура, індекс 1 відноситься до першого теплоносія, а індекс 2 -- до другого; індекс in -- позначає умови на вході, а індекс out -- на виході з теплообмінника.



Рисунок 1.2 Схема протиточного теплообмінника

Протиточні теплообмінники найбільш ефективні, оскільки забезпечують найкраще використання різності температур,що є у наявності, в них також може бути досягнута найбільша зміна температури кожного теплоносія.

У теплообміннику з перехресним током два теплоносія рухаються під прямим кутом один до одного. Наприклад, перший потік може текти всередині труб, зібраних у пучок, тоді як другий потік може рухатись у просторі між трубами у напрямку, вцілому перпендикулярному вісі цих труб.

Рисунок 1.3 -- Схема теплообмінника з перехресним током теплоносіїв

Схематично теплообмінники з перехресним током теплоносіїв звичайно зображують так, як це показано на рисунку 1.3. За своєю ефективністю вони займають проміжне положення між теплообмінниками з паралельним однонаправленим рухом теплоносіїв й протиточним теплообмінником. Якщо ж виходити з практичних міркувань, пов'язаних з подачею теплоносіїв до поверхонь теплообміну, то такий теплообмінник сконструювати легше, ніж вказані вище типи апаратів.

За формою поверхні:

- кожухотрубні з прямими гладкими трубами;

- кожухотрубні з U-подібними трубами;

- кожухотрубні з оребреними трубами;

- «труба в трубі»;

- змієвикові;

- спіральні;

- пластинчаті;

- пластинчато-ребристі;

- ламельні.

Основним призначенням поверхонь теплообміну є виключення взаємодії двох потоків теплоносія, які можуть суттєво відрізнятися своїми фізико-хімічними властивостями і суміш яких недопустима по технологічним і іншим умовам [2].

1.2 Теплообмінний апарат типу «труба в трубі»

Особливість цього типу теплообмінника полягає у тому, що він складається з однієї труби, розміщеної концентрично у іншій, більшого діаметра з відповідними патрубками на кінцях для підводу теплоносія з однієї секції до іншої. Внутрішня труба може мати повздовжні ребра, приварені до неї із внутрішньої сторони чи ззовні для збільшення поверхні теплообміну зі сторони потоку рідини з меншим коефіцієнтом тепловіддачі. Теплообмінники типу «труба в трубі» використовуються в основному для нагріву чи охолодження теплоносія в тих випадках, коли вимагається невелика поверхня теплообміну (зазвичай до 50 м²). Вони також можуть використовуватися в процесах, які супроводжуються частковим кипінням чи конденсацією теплоносія. Перевага ТОА «труба в трубі» полягає у різноманітності компоновок, і, крім того, вони можуть швидко зібратися зі стандартних елементів на місці монтажу. При необхідності поверхня теплообміну може бути збільшена за рахунок встановлення додаткових секцій. Підходящим вибором конструкції вхідних і вихідних патрубків можна забезпечити ефективну очистку поверхонь теплообміну по обидві сторони. Головним недоліком ТОА «труба в трубі» є великий об'єм та вартість за одиницю поверхні теплообміну[5].

Рисунок 1.4 -- Теплообмінник типу «труба в трубі»[3]

1.3 Кожухотрубні теплообмінні апарати

Кожухотрубні теплообмінники відносятьсь до найбільш вживаних апаратів. Їх використовують для теплообміну і термохімічних процесів між різними рідинами, парами та газами - як зі зміною, так і без зміни, агрегатного стану. Теплообмінники складаються з пучків труб, укріплених в трубних дошках, кожухів, кришок, камер, опор. Трубний і міжтрубний простір в цих апаратах роз'єднані, при чому кожен з них може бути розділений перегородкою на декілька ходів.

Кожух (корпус) кожухотрубного теплообмінника представляє собою трубу, звареного з одного або декількох стальних листів. Кожухи розрізняються головним чином способом з'єднання з трубною дошкою та кришками. Товщина кришки кожуха визначається тиском робочого середовища і діаметром кожуха і приймається не менше 4 мм. До циліндричних країв кожуха приварюють фланці для з'єднання з кришками чи днищами. На зовнішній кришці кожуха прикріплюють опори апарату. Трубчатка кожухотрубних теплообмінника виробляється з прямих чи вигнутих (U-подібних чи W-подібних) труб діаметром від 12 мм до 55 мм [3].

Трубна решітка приварюється до кожуху або зажимається бовтами між фланцями кожуха і кришки. Матеріалом решітки служить зазвичай листова Ст. 4, товщина якої залежить від тиску, але не менше 20 мм. Кришки кожухотрубних апаратів мають плоску, конічну, сферичну, а частіше еліптичну форму. Кожухотрубні теплообмінники виготовляють з горизонтальним та вертикальним розташуванням корпуса. Зазвичай корпус розташовують горизонтально в апаратах типу рідини-рідина, а рідше газ-рідина, пар-рідина.

В енергетиці отримали поширення так звані гвинтові теплообмінні апарати для підігріву води паром (рисунок 1.5). Підігріта вода піднімається по декількох паралельно ввімкненим змієвикам, а пар йде протитоком по спіральному каналу, утвореного гвинтовими перегородками. Обидва теплоносія рухаються з великою швидкістю, завдяки чому досягається інтенсифікація теплообміну. Підігріта вода входить в патрубок 15, опускається по трубі 7 в нижні колектори 3 і рухається по змієвику вгору. По змієвику вода поступає в колектори 17 і по кільцевому перерізу між трубами 7 і 8 виходить в патрубок 14. Нагріваючий пар поступає через патрубок, вварений в кришку 13 і по спіральним каналам рухається згори донизу [5].



1 -патрубок для відвода конденсата, 2 - днище, 3 - нижні колектори, 4- ніппельні зєднання, 5 - фланець, 6 - денце, 7-8 концентричні труби, 9 -корпус, 10 - розбірні гвинтові перегородки; 11 - анкерні тяги, 12 - опори,13- кришка,14- патрубок для виходу води, 15 - патрубок для входу води, 16 - денці, 17 - верхні колектори, 18 - дистанційні труби, 19 - хомут для кріплення змієвика, 20 - дистанційні труби; 21 - опорні лапи.

Рисунок 1.5 - Гвинтовий підігрівач [3]

1.4 Змієвиковий теплообмінний апарат

Одним з найпростіших ТОА є змієвиковий теплообмінник, який представляє собою сосуд зі спіральною трубою, витки якої розташовані по гвинтовій лінії. По змієвику рухається теплоносій або охолоджуюча рідина. При паровому обігріві пар вводиться зазвичай в змієвик зверху, щоб конденсат міг вільно стікати (див. рисунок 1.6). При великій загальній поверхні теплообміну. Для того, щоб в трубках не накопичувався конденсат, змієвики по довжині розділяють на декілька секцій. При охолодженні охолоджуючу рідину вводять в змієвик знизу при швидкості до 1.5 -2 м/сек. При паровому обігріві швидкість пари при вході в змієвик приймають 50 м/сек.



1 - корпус (сосуд), 2 - стакан, 3 - змієвик із труби, В₁ і В₂ - вхід і вихід води, П₁ і П₂ - вхід і вихід пари

Рисунок 1.6--Змієвиковий ТОА [4]

Поверхня теплообміну в змієвикових апаратах виконують із сталевих, мідних, латунних, алюмінієвих або свинцевих труб, а також з кислото упорних матеріалів - скла, кераміки чи пластмас.

Змієвикові поверхні теплообміну виготовляють із труб з внутрішнім діаметром не більше 65 мм. Для усунення прогину чи деформації труб великого діаметра, з великим числом витків, кожен виток закріплюють за допомогою бовтів на стойках зі стального прокату. Умови тепловіддачі на внутрішній поверхні труб змієвикових апаратів зазвичай задовільні. Проте тепловіддача з зовнішньої поверхні труб в більшій мірі низька внаслідок малих швидкостей середовища. Тому змієвикові апарати зазвичай використовують в апаратах невеликої ємності [2].

1.5 Ребристі теплообмінні апарати

Ребристі поверхні теплообміну використовуються з метою збільшення теплопередачі через металеві стінки і в тих випадках, коли умови теплопередачі з двох сторін стінки дуже різні. При нагріві, наприклад, повітря паром умови тепловіддачі з обох сторін стінки помітно відрізняються: коефіцієнт теплопередачі від гріючої пари до стінки складає 5000-10000 Вт/м² • ⁰С, в той час як від стінки до нагріваємого повітря він складає 5-50 Вт/м² • ⁰С . Покращення умов теплопередачі досягається штучним збільшенням теплопередающої поверхні за допомогою ребер, розташованих з тієї сторони, де величина коефіцієнта тепловіддачі мала.

а - труба з оребренням прямокутними шайбами; б - труба зі спіральним оребренням; в - плавникове оребрення; г - проволочне (біспіральне) оребрення труб; д - чавунна труба з двостороннім голчатим оребренням; е - багато ребриста труба; ж - овальні труба протягнуті через оребрені пластини.

Рисунок 1.7--Ребристі ТОА [3]

Суттєве значення для ефективності роботи ребристих апаратів має матеріал труб та ребер,а також контакт між ними. Для підвищення теплопровідності часто використовується латунь, алюміній або мідь.

1.6 Пластинчаті теплообмінники

При теплообміні між газами трубчаті апарати характеризуються низьким коефіцієнтом теплопередачі і малим коефіцієнтом питомої поверхні нагріву (40-80 ). Для таких теплоносіїв з близькими за значеннями коефіцієнтами тепловіддачі знайшли застосування пластинчаті теплообмінники. Ці апарати складаються із ряду паралельних пластин, канали між якими згруповані так, що по одній частині каналу рухається гарячий теплоносій, а по іншій - холодний. Рух може бути або прямоточним або перехресним [3].

Гладкопластинчаті теплообмінники виготовляють з тонких гладких металевих листів у вигляді багатошарових пакетів. Такі теплообмінники дуже компактні. Проте міцність платин невисока і тому їх застосовують при низьких тисках, у них важко забезпечити достатню герметичність, необхідну для запобіганню змішення теплоносіїв. Теплообмінники з гладкими трубами використовуються для підігріву повітря димовими газами і для теплообміну між газами в установках глибокого охолодження.

Спіральні теплообмінники призначені для підігріву чи охолодження рідин і газів з тиском до 10 ат. Вони можуть працювати як при протитоці, так і при прямотоці теплоносія, без зміни і зі зміною агрегатного стану одного з теплоносіїв.

Спіральні теплообмінники - горизонтального типу, противоточні; їх застосовують при теплообміні між двома рідинами. ТОА вертикального типу використовуються для теплообміну між паром і рідиною; вони можуть працювати при протитоці і при перехресному тоці. Для зменшення втрат тепла в оточуюче середовище рекомендується пропускати теплоносій по зовнішньому каналу. Спіральні теплообмінники отримали широке застосування завдяки ряду переваг: питома поверхня на одиницю об'єму в 2 рази більша, ніж в трубчатих, мала вага, можливість досягання високих швидкостей, високий коефіцієнт теплопередачі, невеликі гідравлічні опори, мала схильність до забруднень. До недоліків можна віднести складність у проведенні ремонтних робіт. Спіральні теплообмінники складні у виготовленні, виникають складнощі при герметизації каналів з різними теплоносіями [3]

Штамповані пластинчаті ТОА виготовлюються з гофрованих методом штампування листів, зберігають переваги звичайних пластинчатих апаратів, але придатні для роботи з теплоносіями при тиску 15 ат і більше. Конструктивно вони бувають трьох типів: розбірні, напіврозбірні та нерозбірні зварні конструкції. Поверхню підвищеної турбулентності виготовлюють з металевих пластин, на яких в шаховому порядку виштамповані виступи та впадини сферичного обрису. Дві такі пластини, з'єднані точковою зваркою у відповідних впадинах, утворюють окремий елемент. Елементи виготовлені з двох пластин збирають так, щоб впадина однієї пластини знаходиться навпроти впадини іншої, або щоб впадина однієї платини співпадала з виступом іншої.

Прокатно-зварні теплообмінники представляють собою різновид пластинчатих теплообмінників. Система каналів для протікання одного з теплоносіїв (зазвичай рідкого) утворюється між двома металевими листами, звареними між собою в процесі холодної чи гарячої прокатки. Прокатно-зварні з'єднання знайшли застосування для виготовлення випаровувачів до побутових холодильників і для інших цілей. Вони вигідно відрізняються від інших поверхневих теплообмінників невисокою вартістю, простотою у виготовленні. Заміна міді та нержавіючої сталі на алюміній робить такі апарати особливо перспективними.

Ребристо-пластинчаті теплообмінники були розроблені у зв'язку з необхідністю зменшення габаритів і ваги теплообмінника, застосовуваних в газотурбінних установках. Ці теплообмінники компактні за конструкцією та високоефективні. Профіль оребреної поверхні в напрямку руху теплоносія виготовляється різних обрисів: у формі гострокутних та прямокутних зигзагів, синосуїд, Z-подібних каналів [1].

1.7 Ламельні теплообмінники

Пошук ефективних шляхів вдосконалення класичних конструкцій кожухотрубних теплообмінних апаратів призвів до створення теплообмінників з плоскими трубами, звареними з листів - ламельних теплообмінників. Аналогічно кожухотрубному ТА цей теплообмінник складається з пакета зварених попарно пластин, утворюючих пучок плоских труб, вмонтованих в кожух. Пучок плоских труб закінчується зварними трубними решітками. На рис 7 показано пристрій зварної трубної решітки і її з'єднання з трубним пучком та камерою. Друга трубна решітка аналогічна по конструкції, але з'єднана з циліндричним патрубком, який через сальниковий пристрій виходить з кожуха. На кінець цього патрубка нагвинчений фланець. Сальниковий пристрій між кожухом і пучком плоских труб компенсує температурні подовження трубного пучка в робочому стані, а також дозволяє витягати трубний пучок з кожуха для очистки від забруднень в між трубному просторі [6].

Прямокутна в поперечному перерізі форма трубного пучка застосовується в апаратах для невеликих тисків. В цьому випадку конструкція теплообмінника дещо спрощена. Кожух має в перерізі прямокутну форму, відповідну формі трубного пучка, до того ж стінки корпуу доводиться робити з ребрами жорсткості.

Циліндричний кожух з відповідною йому круглою в поперечному перерізі форма трубного пучка здатна краще сприймати навантаження при більш високих тисках. В деяких подібних конструкціях допустимо робочий тиск 4,5 МПа (45ат) [6].

Для забезпечення повного заповнення круглого перерізу циліндричного кожуха ширина кожної плоскої труби повинна відповідати довжині хорді,по котрій встановлюється дана труба. Теплообмінники, які застосовують у промисловості, мають діаметр кожухів від 100 до 1000 мм. Відповідної ширини виготовлюються і зварні плоскі труби. Зазор між стінками всередині труб, а також в між трубному просторі складає від 2 до 12 мм. Довжина плоских труб від 2 до 6 мм. Плоскі труби мають деякі термодинамічні переваги в порівнянні з круглими трубами. При рівній площі поперечного перерізу каналу для робочого середовища поверхня теплообміну плоскої труби в декілька разів більше поверхні круглої труби. Для отримання великих поверхонь теплообміну ламельні ТОА можна компонувати в блоки. При цьому з'єднання елементів може бути як паралельним так і послідовним, в залежності від бажаної швидкості потоків в трубному і між трубному просторі. Ламельні теплообмінники можна встановлювати і в горизонтальному, і в вертикальному положенні. Суміш двух робочих середовищ не спостерігається. В якості матеріалу для виготовлення плоских труб використовується нержавіюча сталь у виді холоднокатаної стрічки (листа), товщиною 1,5-2 мм [6].

Ламельні теплообмінники призначені для роботи за схемою рідини-рідина, газ - газ, пар - рідина. Ефективна область застосування ламельних ТОА - це робота при температурі більше 150 ⁰С і тиск більше 10 ат, тобто в тій області, де розбірні пластинчаті ТОА не володіють достатньою надійністю ущільнення [6].



1 - камера для вводу робочого середовища в канали; 2 - фланцеве роз'ємне з'єднання ламельного пучка з корпусом; 3 - корпус апарату; 4 - пучок ламелей (плоских труб); 5 - між трубний простір; 6 - сальниковий пристрій; 7- фланець знімний (на різьбі); 8 - ребра жорсткості; 9, 10 - штуцера для другого робочого середовища, подаваного в міжтрубний простір.

Рисунок 1.8--Ламельний теплообмінник в корпусі прямокутної (а) та циліндричної (б) форми [6]

1.8 Порівняльна характеристика рекуперативних теплообмінників

Теплообмінники характеризуються рядом показників: особливостями конструкції, габаритами, вагою, зручністю обслуговування, умовами теплообміну, ККД. Відомо також, що збільшення числа труб в пучку, збільшення їх довжини і зменшення діаметра зменшують вартість 1 м² поверхні кожухотрубного теплообмінника, так як при цьому знижується затрата метала на одиницю поверхні теплообміну. Залежність відносної вартості теплообмінника (на 1 м²) від загальної величини поверхні теплообміну, діаметру і довжини труб показані на рисунку 1.9.



а)

б)

в)

(а) діаметра, (б) довжини, (в) поверхні труб. К - відносна вартість 1 м² поверхні нагріву, F, l, d - відповідно поверхня, діаметр і довжина труб [1].

Рисунок 1.9--Залежність відносної вартості теплообмінника від загальної поверхні теплообмінника

Проте при виборі найбільш раціонального типу ТОА необхідно також враховувати і інші фактори: теплову продуктивність, температурні умови процесу, фізико-хімічні властивості теплоносіїв, стабільність процесу та ін. Вибір оптимальної конструкції теплообмінника є задачею, яка розв'язується шляхом технічно-економічного порівняння декількох типів апаратів, які можуть бути застосовані до заданих умов.

З іншої сторони, варто також пам'ятати, що збільшення числа труб збільшує ймовірність порушення щільності їх кріплення у трубній решітці, а застосування труб малого діаметру збільшує їх забрудненість і ускладнює чистку; довгі труби - незручно монтувати і чистити.

Вихідні умови для вибору теплообмінника багаточисленні. В залежності від доступної площі; місця установки; етажності будівлі; зручності монтажу, експлуатації та ремонту; загальної теплової продуктивність, температури, тиску, властивостей, хімічної агресивності і токсичності теплоносіїв можуть бути встановлені теплообмінні апарати трубчаті чи пластинчаті, горизонтальні чи вертикальні, в приміщенні чи на відкритій площадці.

Можна рекомендувати наступні основні положення при виборі типу теплообмінника:

· При обмін теплом двох рідин чи двох газів варто вибирати секційні (елементні) теплообмінники; якщо через велику величину поверхні теплообміну конструкція виходить громіздкою, можна прийняти до установки багатоходовий кожухотрубний теплообмінник.

· У випадку підігріву рідини паром рекомендується баготоходні по трубному просторі кожухотрубчасті апарати з подачею пари в між трубний простір.

· Якщо умови теплообміну по обидві сторони теплопередающої поверхні різко відрізняються (газ і рідина), повинні бути рекомендовані трубчаті ребристі або плавникові теплообмінники.

· Для пересувних та транспортних теплових апаратів, авіаційних двигунів та кріогенних систем, де при високій ефективності процесу потрібні компактність і мала вага, знаходять широке застосування пластинчаті ребристі та штамповані ТОА [3].

1.9 Методи інтенсифікації теплообміну в апаратах

В багатьох галузях техніки задача інтенсифікації процесу теплообміну і створення високоефективних ТОА досить актуальна. Для інтенсифікації процесів теплообміну застосовують наступне:

а) Запобігання охолоджень (шлама, солей, корозійних окислів) шляхом систематичної промивки, чистки і спеціальної обробки поверхні теплообмінника;

б) Продувка трубного і між трубного просторів від інертних газів, різко знижаючих теплообмін при конденсації парів;

в) Штучна турбулізація потоку. При низьких значеннях Re, можна штучною турбулізацією потоку (турбулізірующими решітками, штучною шорсткістю і т. д.) досягти значень коефіцієнта тепловіддачі, що відповідає розвинутому турбулентному режимі. Однак в зв'язку із зниженням ефекту, отриманого зі штучної турбулізації, при підвищенні числа Rе меже настати момент, коли темп росту опору потоку буде превалювати над темпом росту тепловіддачі і розвиток турбулентності буде економічно безкорисним;

г) Оребрення поверхні теплообміну, доцільне як для підвищення коефіцієнта теплопередачі, так і для зниження маси апарата. Поверхня оребрення , в 5-10 раз переважаюча поверхня несучих трубок, не підлягає односторонньому тиску, і тому ребра можна виготовляти із більш тонкого матеріалу, ніж стінки труб, і цим досягти зниження маси апарата і витрату матеріалу [3].

2. ТЕПЛОВИЙ РОЗРАХУНОК ОРЕБРЕНИХ ПОВЕРХОНЬ

2.1 Завдання на розрахунок

Виконати тепловий та техніко-економічний розрахунок газоводяного теплообмінника з такими характеристиками:

- температура газу на вході

- температура газу на виході

- тиск газу на вході

- витрата газу

- температура охолоджуючої води на вході

- температура охолоджуючої води на виході

- тиск води на вході

- тип газу димові гази середнього складу

2.2 Тепловий баланс та теплофізичні властивості теплоносіїв

Теплова потужність ГВТ визначається з рівняння

,

де - масова витрата газу; ; - густина газу в при температурі ; - теплоємність димових газів середнього складу при тиску і температурі . [7]

;

тоді

;

таким чином

.

Рівняння теплового балансу:

.

Визначаємо ентальпії води на вході і виході з ГВТ: по вхідному тиску і вхідній температурі приймаємо значення ентальпії води на вході у ГВТ: [7]

;

на виході при :

;

Із рівняння теплового балансу:

;

підставляючи значення потужності і ентальпій, отримуємо:

.

Середня температура води у ГВТ

.

Середня температура газу у ГВТ

.

Фізичні властивості води при , : [7]

густина ;

питомий об'єм ;

кінематична в'язкість ;

теплопровідність ;

число Прандтля .

Фізичні властивості димових газів середнього складу при і : [7]

густина ;

питомий об'єм ;

кінематична в'язкість ;

питома теплоємність ;

теплопровідність ;

коефіцієнт температуропровідності ;

число Прандтля

2.3 Конструктивні характеристики ВПТ

Повітряно-водяний теплообмінник виконаний у вигляді шахового пучка труб із зовнішнім квадратним оребренням. Труби об'єднані в поздовжні по ходу повітря змійовики, вигини яких розташовані поза газоходом (рис. 2.1).

Рисунок 2.1. Ескіз проектованого теплообмінника

Вибираємо біметалічні труби з наступними характеристиками.

Внутрішня труба:

- матеріал - сталь 20;

- внутрішній діаметр ;

- товщина стінки ;

Зовнішня труба з гвинтовим оребренням :

- матеріал - алюміній АД1;

- діаметр труби, що несе оребрення ;

- висота ребер

- крок ребер ;

- середня товщина ребер ;

- контактний термічний опір на границі «сталь-алюміній» .

2.3.1 Питомі геометричні характеристики ребристих труб

Питомі характеристики ребристих труб визначаються з урахуванням того, що вигини змійовиків знаходяться поза газоходом, тобто

,

де Н_П - площа поверхні ребристої труби без урахування площ вигинів, Н - площа поверхні ребристої труби, яка бере участь у теплообміні. Індекс «1» у подальших позначеннях величин вказує на те, що величина питома, тобто розрахунок ведеться для 1 м однієї труби.

Зовнішня сторона квадратного ребра:

с_к=d+2·h=.

Площа поверхні ребер на 1 м довжини труби:

деl_op - довжина оребреної труби, яку для питомої площі поверхні ребер приймаємо рівною 1;

z - кількість труб, яке дорівнює 1, оскільки розрахунок ведеться для одної труби.

Площа гладкої поверхні несучої труби на 1 метр довжини ребристої труби:



де l_T - загальна довжина неоребрених ділянок труб, що обігріваються (вигини, області стиків), яка в нашому випадку рівна 0, оскільки зазначені ділянки знаходяться поза газоходом.

Площа зовнішньої поверхні на 1 метр довжини труби:

.

Відношення площі поверхні ребер до загальної площі поверхні оребреної труби:

.

Відношення площі гладкої поверхні труби до загальної площі поверхні оребреної труби:

.

Початкова площа (за умови відсутності ребер) повної поверхні труби, що несе оребрення, на 1 метр довжини:

.

Площа внутрішньої поверхні несучої труби на 1 метр довжини труби:

.

Відношення повної поверхні оребреної труби до внутрішньої поверхні труби:

.

Коефіцієнт оребрення:

.

2.3.2 Розміри газоходу і крокові характеристики ВПТ

ВПТ виконується у вигляді шахового пучка труб (Рис 2.2). Вибираємо максимально щільну «рівносторонню» компоновку пакету, при якій подовжній і поперечний кроки труб зв'язані співвідношенням:

Розміри газоходу також приймаємо:

- ширина газоходу а = 1,2 м;

- висота газоходу b = 1,2 м.



Рисунок 2.2 - Шагові характеристики пучків оребрених труб: шахова компоновка труб

Величину поперечного кроку труб S₁ вибираємо з урахуванням максимального поперечного розміру ребристої труби - зовнішнього діаметру оребрення

а також необхідності дотримання рівності кількості труб z₁ у всіх поперечних рядах пакету

тут z₁ = 16 - максимальне число оребрених труб, що уміщаються з достатнім технологічним зазором на ширині а = 1,2 м.

Подовжній крок труб з урахуванням співвідношення рівний

Діагональний крок труб при «рівносторонній» компоновці рівний поперечному

Таким чином, остаточно приймаємо:

- поперечний крок труб

- подовжній крок труб

- діагональний крок

Відносні крокові характеристики:

2.3.3 Живий переріз для проходу повітря і розрахункова швидкість повітря.

Для визначення мінімального живого перетину по зовнішньому теплоносію при шаховій компоновці труб знаходимо умовний діаметр ребристої труби

потім параметр пучка

При < 2 мінімальний живий перетин розташовується в площини поперечного кроку і його площа буде рівна

тут довжину труб в межах газоходу приймаємо рівній його висоті

Середній питомий об'єм повітря при та рівний

Розрахункова швидкість повітря:

2.3.4 Живий переріз для проходу води і середня швидкість води.

У відповідності площа живого перетину для проходу внутрішнього теплоносія визначається по формулі в якій число паралельно включених труб визначається числом труб в поперечному ряду пакету z₁ і числом заходів змійовиків nx; при шаховій компоновці труб: приймаємо однозаходний теплообмінник, n_x = 1, тоді

Середня швидкість води у відповідності буде рівна

2.4 Розрахунок площі теплообмінної поверхні

2.4.1 Площа теплообмінної поверхні у ВПТ

Площу теплообмінної поверхні ВПТ можна знайти з формули

для чого необхідно розрахувати коефіцієнт теплопередачі і середній температурний напір Дt.

2.4.2 Коефіцієнт теплопередачі.

Коефіцієнт теплопередачі слід визначати по формулі

У цій формулі коефіцієнт теплової ефективності приймається рівним[1] ( теплоносій - чисте повітря)

При визначенні термічного опору стінки використовуваних біметалічних труб величинам можна нехтувати унаслідок їх малості і прийняти ; контактний термічний опір відповідно до паспортних даних рівний таким чином можна прийняти:



Відношення , у відповідності з п.2.2 даного розрахунку, дорівнює

2.4.3 Приведений коефіцієнт тепловіддачі

При обмиванні ребристих труб потоком чистого теплоносія (повітря) слід визначати за формулою:

Розрахунок слід починати з визначення коефіцієнта тепловіддачі конвекцією , оскільки Е і також є функцією

а) Коефіцієнт тепловіддачі конвекцією .

Визначаємо параметр форми пучка Х, який у випадку шахової компоновки труб буде рівним

Показник степеня m і коефіцієнт визначаємо по формулах і вони відповідно рівні:



Приймаємо число поперечних рядів труб в пакеті ; тоді коефіцієнт можемо знайти графічно (рис.2.3) і за формулою:

Підставляючи у формулу набутого значення m, , , а також фізичні властивості повітря справжнього розрахунку, набудемо значення

Рисунок 2.3 -- Коефіцієнт С ,що враховує вплив на тепловіддачу числа поперечних рядів труб в пучку

б) Коефіцієнт дійсної ефективності ребра.

Значення коефіцієнта дійсної ефективності ребра визначається добутком .

Для визначення першого співмножника - коефіцієнта теоретичної ефективності ребра Е необхідно розрахувати значення параметра ребра в (для цього, у свою чергу, потрібно знати теплопровідність ребра при його середній температурі ; оцінимо , прийнявши з можливим подальшим уточненням ?0,9

при = 50,2 коефіцієнт теплопровідності алюмінію марки АД1 рівний [4], тоді

умовна висота ребра h визначається

Коефіцієнт теоретичної ефективності ребра

Поправочний коефіцієнт ш_Е визначається по формулі:

Коефіцієнт для ребер приблизно постійної товщини приймається рівним =1,0 (рис. 2.4).



Рисунок 2.4 -- Залежність для визначення поправочного коефіцієнта враховує розширення ребра біля основи.

Підставивши набутого значення , Е, , ш_Е, а також значення і із справжнього розрахунку з п. 2.3.1 у формулу, набудемо значення приведеного коефіцієнта тепловіддачі

2.4.4 Коефіцієнт тепловіддачі від стінки до внутрішнього середовища

Для визначення необхідно знати числа Рейнольдса і Прандтля; у відповідності з п.2.2 і п.2.3.4 справжнього розрахунку 4,6723; 0,6646тоді

При таких значеннях Re_f і Pr_f коефіцієнт тепловіддачі необхідно розраховувати за формулою:

З цією метою визначаються значення величин

Для визначення поправки оцінимо температуру внутрішньої поверхні труби t₂, задаючись з подальшим уточненням значеннями площі зовнішньої теплообмінної поверхні Н' = 200м² і коефіцієнта тепловіддачі ; тоді з врахуванням п.2.3.1:



для даного випадку, коли внутрішнім теплоносієм є краплинна рідина (вода) і має місце її нагрівання (тепловий потік направлений від стінки труби до води), поправка C_t визначається по формулі:

коефіцієнт динамічної в'язкості води при і :

коефіцієнт динамічної в'язкості води при і :

з урахуванням цього

Підставляємо значення одержаних величин одержимо:

Повертаючись до п.2.4.2, визначаємо коефіцієнт теплопередачі:

2.4.5 Середній температурний напір .

Приймаємо протиточну схему руху теплоносіїв. в цьому випадку розраховується за формулою, в якій:



В результаті:

2.4.6 Підсумки теплового розрахунку

а) Повертаючись до п.2.4.1, визначаємо площу теплообмінної поверхні ВПТ:

б) Уточнюємо величину поправки у формулі для розрахунку

Таким чином, , тобто величина поправки уточнення не потребує:

.

в)Визначаємо загальну довжину оребрених труб ВПТ



г) Загальне число труб в ВПТ:

д) Число поперечних рядів труб:

приймаємо z₂ = 6.

е) Глибина газоходу:

ж) Дійсне число труб у ВВТ:

з) Дійсна довжина ребристих труб ВПТ:

3. ТЕХНІКО-ЕКОНОМІЧНИЙ РОЗРАХУНОК

Кількість ребер на 1 метр труби:

.

Об'єм одного ребра:

.

Об'єм усіх ребер на 1 метр труби:

.

Зовнішній діаметр сталевої труби:

.

Об'єм 1 метру сталевої труби:

.

Об'єм 1 метру алюмінієвої труби:

.

Об'єм алюмінієвої частини біметалічної труби (включаючи ребра та трубу, що несе ребра) в розрахунку на 1 метр:

.

Об'єм 1 метра оребреної біметалічної труби:

.

Густина алюмінію вважається сталою в інтервалі температур, тому приймаємо: при середній температурі димових газів .

Маса 1 метра алюмінієвої частини біметалічної труби:

.

Маса алюмінієвої частини по всій довжині труб у теплообміннику:

.

Вартість одного кілограма алюмінієвої оребреної труби [10].

За таких умов витрати на алюміній при виготовленні біметалічних труб даного теплообмінника становлять:

.

Густина сталі при температурі води t=32,5[єC] становить .

Маса 1 метра сталевої частини біметалічної труби:

.

Маса сталевої частини по всій довжині труб у теплообміннику:

.

Вартість одного кілограма сталевої труби [8]. За таких умов витрати на сталь при виготовленні біметалічних труб даного теплообмінника становлять:

.

Загальна витрата на матеріал для виготовлення біметалічних труб даного теплообмінника:

ВИСНОВКИ

В даній курсовій роботі проведено літературний огляд теплообмінників рекунеративного типу, їх класифікація та принцип роботи. А також розраховано ГВТ з шахматною компоновкою труб, нагріваючим тілом є димові гази, а тим, що нагрівається - вода. Проведено тепловий і техніко-економічний розрахунки теплообмінної поверхні, оребренної квадратними ребрами, а також знайдена вартість матеріалу такої системи. Отримані такі основні характеристики ГВТ:

потужність

витрата води

коефіцієнт оребрення

коефіцієнт ефективності ребра

коефіцієнт теплопередачі

коефіцієнт тепловіддачі

коефіцієнт тепловіддачі конвекцією

приведений коефіцієнт тепловіддачі

ширина газоходу

висота газоходу

глибина газоходу

площа теплообмінної поверхні

кількість труб

довжина труб

загальна вартість теплообмінника

ПЕРЕЛІК ПОСИЛАНЬ

теплообмінник апарат конструкція

1. Бажан П.И. Справочник по теплообменным аппаратам / П.И. Бажан - М.: Машиностроение, 1985. - 366 с. с ил.

2. Справочник по теплообменникам: В 2 т. Т.1/С74 Пер. с англ., под ред. Б.С. Петухова, В.К. Шикова. - М: Энергоатомиздат, 1987. - 560 с. с ил.

3. Бакластов А.М. Проектирование, монтаж и эксплуатация тепломассообменных установок: Учеб. пособия для вузов / А. М. Бакластов , В. А. Горбенко, П. Г. Удыма - М.: Энергоиздат, 1981. - 336 с. с ил.

4. Теплоиспользующие установки промышленных предприятий / под редакцией О. Т. Ильченко - Х.: Вища школа, 1985. - 384с.

5. Справочник по теплообменникам: в 2-х томах, том 2 / под ред. Мартиненко О.Г. и др. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 352с.

6. Барановский Н. В. Пластинчатые и спиральные теплообмінники/ Барановский Н. В., Коваленко Л. М., Ястребенецкий А. Р. - М.: «Машиностроение», 1973. - 288 с.

7. Набір програм «vxwp» для обчислення властивостей води і водяної пари, які можуть використовуватись в документах MathCAD, Excel та інших прикладних програмах.

8. Письменный Е.Н. - Расчет конвективных поперечно оребренных поверхностей нагрева - К., 2003. - 181 с.

9.Васильєв А.Ф., Шевель Э.В. - Методичні вказівки до курсової роботи по курсу «Тепломасообмін» - К.: НТУУ «КПІ», 1998, - 36 с.

10. https://catalog.metalika.ua/nerzhaveyuschij-prokat/nerzhaveyuschie bimetallicheskie-trubi/

Размещено на Allbest.ru

...