В.В.Назаревич Теплообменники (конструкции и расчеты)

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

КУЗБАССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра стационарных и транспортных машин

ТЕПЛООБМЕННИКИ

(конструкции и расчеты)

Методические указания к практическим занятиям для студентов специальностей 100700 – «Промышленная теплоэнергетика»; 150200 «Автомобильное хозяйство»; 170100 – «Горные машины и оборудование»

Составитель В.В.Назаревич

Утверждены на заседании кафедры Протокол № 176 от 15.09.2000

Рекомендованы к печати учебно-методической комиссией специальности 170100

Протокол № 1от 21.09.2000 Электронная копия находится в библиотеке главного корпуса КузГТУ

Кемерово 2001

1

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Закрепить знания по разделу "теплообменные аппараты" курса: "Источники и системы теплоснабжения промышленных предприятий".

2. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Задача рационального, бережного отношения к топливу и теплу решается усовершенствованием конструкций существующих теплообменных аппаратов.

Передача теплоты от среды с высокой температурой осуществляется в теплообменных аппаратах различных конфигураций.

Работы по интенсификации процесса конвективного теплообмена и созданию наиболее экологического технологического теплообменного оборудования привели к существующему усовершенствованию конструкций теплообменных аппаратов, замене традиционных гладкостенных труб на поверхности теплообмена из тонкого листа со сложными поверхностями.

3. ТРЕБОВАНИЯ К ТЕПЛООБМЕННИКАМ

В народном хозяйстве требуются теплообменники для различных рабочих сред, различающихся как по химическому составу, так и по агрегатному состоянию и структуре (газа, пара, капельной жидкости, суспензий, эмульсий и т.д.). Рабочие температуры и давления рабочих сред могут быть самыми разнообразными и изменяться в широких пределах.

Многообразие исходных данных определяет основные требования к теплообменным аппаратам:

1. Аппарат должен обладать определенной пропускной способностью для каждой из рабочих сред при заданном уровне гидравлических сопротивлений.

1

2

2.Применение конкретного типоразмера аппарата должно обеспечить передачу определенного количества теплоты с получением необходимых конечных температур рабочих сред.

3.При заданной тепловой нагрузке и других равных исходных параметрах рабочих сред аппарат должен иметь наименьшие габаритные размеры и наименьшую металлоемкость, т.е. процесс теплообмена должен протекать наиболее интенсивно.

4.Процесс теплообмена в аппарате должен протекать стабильно во времени при неизбежных изменениях физических (а возможно и химических) свойств рабочей среды: вязкости, плотности, теплопроводности, фазового состояния

ит.д.

5.Аппарат должен обладать определенным запасом прочности, гарантирующим его безопасную эксплуатацию при механических нагрузках, возникающих как от давления рабочих сред, так и вследствие температурных деформаций различных частей теплообменника.

6.Поверхность теплообмена и другие элементы конструкции аппарата, омываемые рабочими средами, должны обладать достаточной стойкостью к химическому и коррозийному воздействию в течение заданных сроков эксплуатации.

7.При использовании рабочих сред, выделяющих отложения на поверхности обмена, конструкция аппарата должна предусматривать возможность периодических осмотров поверхностей теплообмена и их механическую либо химическую очистку.

Вотдельных областях применения предъявляются дополнительные требования к теплообменным аппаратам.

Например, требования к доступности поверхностей теплообмена для осмотра и механической очистки от загрязнений определяются разнообразием конструкций, но при этом возникают усложнения устройств, обеспечивающих герметизацию полостей для каждой из рабочих сред. Требования к повышению надежности и долговечности аппарата ведут к увеличению его металлоемкости, габаритных размеров и

2

3

увеличению стоимости используемых материалов. Можно найти и другие примеры противоречивых требований к теплообменнику, которые сглаживаются на основе техникоэкономической оптимизации аппарата.

При всем многообразии требований к теплообменным аппаратам во всех случаях должно соблюдаться главное требование – высокая эффективность осуществляемого процесса передачи теплоты.

4.НОМЕНКЛАТУРА ТЕПЛООБМЕННИКОВ

Всвязи с многообразием требований, предъявляемых к теплообменникам и разнообразием условий их работы создать универсальную конструкцию теплообменника невозможно, поэтому изготавливают и применяют их большое число различных типов.

Наибольшее применение находят аппараты общего на-

значения для сред "жидкость-жидкость" и "пар-жидкость" при давлении до 1,0 МПа и температурах до 200о С. По конструкции это кожухотрубные, спиральные и пластинчатые. По способу передачи теплоты – рекуперативные (передача теплоты через разделяющую поверхность).

5.КОЖУХОТРУБНЫЕ ТЕПЛООБМЕННИКИ

5.1. Устройство и принцип работы

Скоростные подогреватели с гладкостенными трубными пучками являются самыми распространенными теплообменниками в энергетике, коммунальном хозяйстве и других отраслях промышленности. Для систем отопления и горячего водоснабжения применяют скоростные водяные подогреватели, изготавливаемые по отраслевым стандартам ОСТ-34-598-68 и ОСТ-34-6-7-68. Подогреватели для отопления изготавливают с линзовыми компенсаторами, а для горячего водоснабжения - без компенсаторов. Подогреватели рассчитаны на рабочее давление 1,0 МПа (10 кгс/см2) и

3

4

должны подвергаться гидравлическим испытаниям с обеих сторон на давление 1,25 МПа. Подогреватель состоит из стального корпуса и пучка трубок диаметром 16×1,0 мм или 16×0,75 мм (рис.1), изготовленных из латуни Л-68 ДПКР ГОСТ-21646-76.

Подогреватели выпускаются разъемными (длина секции составляет 2000 и 4000 мм). ГОСТ предусматривает 22 типоразмера, диаметры корпусов которых равны от 57 до 530 мм; выпускается 8 типоразмеров с площадью поверхности нагрева одной секции от 0,37 до 28 м2. Технические данные подогревателей представлены в таблице.

Рис.1. Подогреватель трубчатый, секционный, скоростной, водо-водяной с линзовым компенсатором

4

5

Технические характеристики скоростных подогревате-

лей, ОСТ-34-588-68.

Разъемное соединение секций является более универсальным и позволяет лучше осуществлять организацию производства, транспортировку и сборку блоков с различным числом однотипных секций.

В комплект поставки подогревателя входят кроме корпуса 1 также входной и выходной патрубки 3 и соответствующее число калачей 4 для соединения трубчатого пучка 2. Патрубок для выхода нагреваемой воды имеет штуцер для ввертывания термореле.

Греющим термоносителем в водоподогревателях для горячего водоснабжения обычно является вода, прошедшая водоподготовку. В связи с тем, что на поверхности теплообмена возникают различного рода отложения, нагреваемая вода направляется внутрь трубок для обеспечения их очистки механическим способом. Греющий теплоноситель поступает в межтрубное пространство водонагревателя. Этим достигается также выравнивание скоростей сетевой и на-

5

6

греваемой воды, т.к. расход сетевой воды обычно больше расхода нагреваемой. В результате такого направления потоков стальной корпус имеет более высокую температуру, чем латунные трубы, имеющие большой коэффициент линейного удлинения, вследствие чего на корпусе подогревателя не устанавливают линзовый компенсатор.

В водоподогревателях, предназначенных для отопления, возникновение отложений менее вероятно, поэтому распределение нагревающих и греющих сред осуществляется из условия поддержания высоких скоростей и выравнивания коэффициентов теплоотдачи со стороны труб и межтрубного пространства. Внутрь трубок направляется греющая вода, а в межтрубное пространство – вода местной системы. Температурные напряжения, возникающие при таком распределении теплоносителей, требуют установки на корпусе линзового компенсатора. Подогреватели для отопления применяются, когда система отопления зданий присоединяется к тепловым сетям по независимой схеме.

Для более надежной работы систем отопления и горячего водоснабжения большое значение имеет дальнейшее усовершенствование конструкции секционных подогревателей, улучшение их тепловых, гидравлических характеристик и условий эксплуатации.

По рекомендации ВТИ им. Ф.С.Дзержинского были внесены некоторые изменения в конструкцию подогревателей. В подогревателях малого диаметра вместо шага трубок 22 мм применен шаг 24 мм, что позволило значительно увеличить площадь поверхности нагрева секции. В подогревателях, в марку которых входят большие номера, используется смешанный шаг. Практика многолетней эксплуатации подогревателей горячего водоснабжения в различных городах выявила много существенных недостатков. Прежде всего, это образование интенсивных отложений на трубных решетках и внутри латунных трубок.

Это явление особенно имеет место при работе подогревателей без автоматики, а также из-за отсутствия водоподготовки подогреваемой воды. Отложения на трубных решетках вызываются контактной коррозией в местах валь-

6

7

цовки латунных трубок со стальной решеткой и дополнительным налипанием коррозийно-накипных отложений. Вследствие интенсивного зарастания трубных решеток уменьшается живое сечение трубок на входных и выходных участках секции и значительно возрастает гидравлическое сопротивление подогревателя. Другими дефектами подогревателей являются частый выход из строя латунных труб, нарушение плотности вальцовочного соединения, слипание пучка из-за прогиба трубок при коррозии поддерживающих перегородок, неравномерность поля скоростей в межтрубном пространстве.

Для устранения перечисленных дефектов разработаны мероприятия по улучшению подогревателей:

применение удлиненных трубок в стандартной секции подогревателя. В таких секциях из трубных решеток с обеих сторон трубки выступают на 8-10 мм. Благодаря этому упрощается технология развальцовки;

устраняется дополнительная операция по обрезанию концов трубок;

установка поворотных калачей на петлях. Этим облегчается осмотр секции, чистка трубок и обеспечивается сохранность выступающих концов трубок от механических повреждений;

применение ряда сегментных (секторных) поддерживающих перегородок. В целях устранения контактной коррозии целесообразно перегородки изготовлять из латуни толщиной 5-10 мм или, в худшем случае, из чугуна (или из нержавеющей стали);

использование профильных трубок с диафрагменной накаткой вместо гладких латунных трубок.

Техническое совершенство теплообменника оценивается коэффициентом теплоэнергетической эффективности теплоотдачи Еа. Так, в трубках кожухотрубчатых теплообменников Еа = 2970, а в межтрубном пространстве Еа = 2580.

7

8

5.2.Расчет кожухотрубных теплообменников

Поверхность нагрева всех типов поверхностных подогревателей определяют по формуле

где Qp – расчетная тепловая нагрузка, кВт; k - коэффициент теплопередачи, Вт/(м2К); ∆tср – среднелогарифмическая разность температур в подогревателе, ˚С; µ - коэффициент, учитывающий накипь и загрязнение трубок, принимают в среднем от 8 до 15 %.

Расчетное значение коэффициента теплопередачи определяют по формуле

где α1 и α2 – коэффициенты теплоотдачи между первичными и вторичными теплоносителями и стенкой трубы, Вт/(м2К); λст – коэффициент теплопроводности трубы,

Вт/(м2К); δст – толщина стенки трубы, м.

Коэффициент теплоотдачи от теплоносителя к стенке при турбулентном движении воды вдоль трубок (снаружи или внутри) определяют по формуле:

где t – средняя температура теплоносителя, оС; d – внутренний или наружный диаметр трубки или эквивалентный dэ- гидравлический диаметр межтрубного пространства, м.

где Dв – внутренний диаметр корпуса водонагревателя, м; dн – наружный диаметр трубок, м; n – число трубок.

Так как коэффициенты теплоотдачи зависят от скоростей теплоносителей, то для определения коэффициента тепло-

8

9

отдачи по формуле (3) необходимо вначале установить расходы греющей и нагреваемой воды.

Расчетный расход сетевой воды на горячее водоснабжение определяют по формуле

где С – изобарная массовая средняя теплоемкость воды, Ср = 4,2 кДж/(кгК); t'г, tг" - температуры греющей воды соответственно на входе и выходе; tx', tx"- температуры нагреваемой воды.

ПРИМЕР. Подобрать поверхности нагрева подогревателя горячего водоснабжения, для Qr = 300 кВт и расчетных температур сетевой воды: t'г = 70 ˚C, tг" = 30 ˚C. Температуры холодной и горячей воды принять: tx' = 5 ˚C, tx" = 60 ˚C, а температуру воздуха в помещении tв = 18 ˚С.

РЕШЕНИЕ. Расчетный расход сетевой воды по формуле

(5) при tг" = 30˚C составляет

Gp.г = 3600.300/ 4,2(70-30) = 6430 кг/ч.

Расход водопроводной воды по формуле (6) равен

Gp.в.в = 3600.300/ 4,2(60-5) = 4675 кг/ч.

Задаваясь скоростью воды в межтрубном пространстве 1,0 м/с, найдем ориентировочно площадь сечения межтрубного пространства (при ρ = 1000 кг/м)

fм = 6430/ 3600.1000.1,0 = 0,00178 м2.

Из справочников выбираем нагреватель ОСТ 34-588-68 с сечением трубок fт = 0,00108 м2, межтрубного пространства fм=0,00233 м2 и эквивалентным диаметром межтрубного пространства dм = 0,0164 м2. Для этого типоразмера подогревателя скорости нагреваемой воды в трубках (Wт) и

9