В.В.Назаревич Теплообменники (конструкции и расчеты)

10

греющей воды в межтрубном пространстве (Wм) составляют:

Wт=Gр.в.в/3600fтρв=4675/3600.0,00108.995,7=1,21 м/с;

Wм=Gp.r/3600fмρс=6430/3600.0,00233.998,1=0,78 м/с,

где ρв – плотность водопроводной воды при средней темпе-

ратуре tср = 0,5(tx' + tx") = 32,5 ˚С;

ρс – плотность сетевой воды при средней температуре tcp = 0,5(tг' + tг") = 50 ˚C.

Коэффициенты теплоотдачи от сетевой воды к поверхности трубного пучка и от внутренних стенок трубок к водопроводной воде по формуле (3) составляют:

α1=(1630+21.50–0,041.502)0,70,8/0,01640,2=4822Вт/(м2 К); α2=(1630+32,5.21–0,041.32,52)1,210.8/0,0140,2=620Вт/(м2 К),

где внутренний диаметр трубок dв = 14 мм.

При этих значениях коэффициентов теплоотдачи α1 и α2 коэффициент теплопередачи равен:

k = 1/ (1/4822 + 1/0,000011 + 1/6200) = 2632 Вт/(м2 К).

Среднелогарифмическая разность температур теплоносителей в подогревателе:

∆tср= (30 – 5) – (70 –60)/ 2,31.lg((30 –5)/(70 – 60)) =18,74 ˚С.

Необходимая поверхность нагрева подогревателя при

µ = 0,8:

Fп = 300.103/ 2692.18,74.0,8 = 7,6 м2.

Число секций подогревателя:

Z = Fп/ Fc = 7,6/ 1,31 = 5,8 ≈ 6 секций,

где Fc – поверхность нагрева одной секции, принимаемая из характеристик выбранного подогревателя.

10

11

6. ПЛАСТИНЧАТЫЕ ТЕПЛООБМЕННИКИ

6.1. Назначение, технические данные

Пластинчатые разборные теплообменники предназначены для теплообмена между различными жидкостями, между жидкостью и паром и применяются в качестве холодильников, подогревателей, конденсаторов в различных отраслях промышленности.

Пластинчатые разборные теплообменники – аппараты общего назначения, они предназначены для работы при избыточном давлении до 1,0 МН/м2 (10 кгс/см2) и температуре рабочей среды от –20 до +180 ˚С.

ПРИМЕЧАНИЕ. Температура регламентируется маркой резины для прокладок. Теплообменники, пластины которых изготовлены из титана, работают при избыточном давлении до 0,6 МПа (6 кгс/ см2) и температуре рабочей среды от –20

до +180˚С.

Основные параметры и технические характеристики пластинчатого теплообменника для каждого конкретного случая указывают в техническом паспорте аппарата и на чертеже общего вида. Пластинчатые разборные теплообменники собираются из унифицированных сборочных единиц и деталей и могут иметь поверхность теплообмена от 1

до 300 м2.

6.2. Устройство и работа

Пластинчатый теплообменник (рис.2,3) представляет собой горизонтальный разборный аппарат, состоящий из тонких штамповочных металлических пластин с гофрированной поверхностью, набранных на раму консольного типа, двухопорную или трехопорную. Техническая характеристика и основные параметры пластинчатых теплообменников даны в табл. 1. (приложения).

Консольная рама состоит из неподвижной и нажимной плит и стяжных болтов, закрепленных штангами.

11

12

Рис 2. Компоновка пластин в два симметричных пакета: I.-1-9 – нумерация каналов; II.-1-9 – нумерация пластин;

a – отверстие с уплотнительным резиновым кольцом; b – непросеченное место для отверстия без уплотнительного резинового кольца; c – отверстие без уплотнительного резинового кольца; d – непросеченное место для отверстия с уплотнительным резиновым кольцом

Рис. 3. Пространственная схема движения рабочих сред в однопакетном пластинчатом теплообменнике

12

13

Двухопорная рама состоит из стойки, неподвижной и нажимной плит, двух штанг, укрепленных на стойке и неподвижной плите, и двух стяжек.

Трехопорная рама состоит из центральной неподвижной плиты, по обе стороны которой расположены нажимные плиты, стойки, штанги и стяжки.

Плиты снабжены штуцерами для теплоносителей. Неподвижные плиты снабжены регулировачными винтами для выверки положения теплообменника на фундаменте.

Затяжка теплообменника осуществляется на консольных рамах при помощи стяжных болтов и гаек, на двухопорных и трехопорных – при помощи стяжек и нажимных гаек.

Пластины собираются на раме так, чтобы они были повернуты на 180˚ одна относительно другой, причем резиновые прокладки должны быть обращены в сторону нажимной плиты.

Полость между соседними плитами является каналом для прохода теплоносителя.

Группа пластин, образующих систему каналов, в которых рабочая среда движется только в одном направлении, составляет пакет.

Один или несколько пакетов, сжатых между неподвижной и нажимной плитами, называются секцией.

По углам пластины имеются отверстия, образующие в собранной секции распределительные коллекторы для теплоносителей.

Уплотнение пластин между собой осуществляется по уплотнительному пазу резиновой прокладкой.

По щелевидным каналам из соответствующих коллекторов по одну сторону каждой пластины движется горячий теплоноситель, по другую – холодный. Теплоносители движутся противотоком.

За счет гофрированной поверхности пластины поток жидкости усиленно турбулизуется. Усиленная турбулизация и тонкий слой жидкости дают возможность получить высокий коэффициент теплопередачи при сравнительно малых гидравлических сопротивлениях.

13

14

При появлении на поверхности пластин различных загрязнений аппарат можно легко и быстро разобрать, очистить и снова пустить в работу.

6.3. Расчет пластинчатого теплообменника

Методика расчета излагается на решении конкретной задачи.

ПРИМЕР. Произвести проектный расчет пластинчатого разборного аппарата для подогрева холодной воды горячей

при следующих исходных данных:
Тепловая мощность аппарата, МВт							12,6
Расход греющей воды, кг/с(м3/ч)							80,74(294,0)
Расход нагреваемой воды, кг/с(м3/ч)							50,0(180)
Температура греющей воды, ˚С							90-70
Температура нагреваемой воды, ˚С							77-7
Температурный напор в теплообменнике, ˚С
при противоточной схеме
90			гр. вода		70	∆tг=20 ˚С
			нагр. вода
77					7	∆tн=70 ˚С
∆tм=13 ˚С				∆tб=63 ˚С
∆tл=(∆tб–∆tм)/ln(∆tб/∆tм);
∆tл=(63–13)/ln(63/13)=31,7˚С
Рабочее давление в аппарате Р, МПа							1,0

Максимальное допустимое гидравлическое сопротивле-

ние Р, МПа
- по стороне греющей воды	0,15
- по стороне нагреваемой воды	0,15
теплофизические свойства нагреваемой воды
при средней температуре, ˚С
tн=0,5(tн'+tн")=0,5(77+7)	42
Теплоемкость, Ср , кДж/(кг.К)	4,19

14

15

Коэффициент теплопроводности λн, Вт/(м2.К) 0,555

Плотность ρн, кг/м3	980
Критерий Прандтля Prн	1,72
Коэффициент кинематической
вязкости vн, м2/с	0,265.10-6

Теплофизические свойства греющей воды при средней

температуре, ˚С
tг= 0,5(90+70)	80
Теплоемкость Ср, кДж/(кг.К)	4,208
Коэффициент
теплопроводности λг, Вт/(м2.К)	0,680
Плотность ρг, кг/м3	965,3
Коэффициент кинематической
вязкости vг, м2/с	0,326.10-6
Критерий Прандтля Prг	1,95
Теплообменник комплектуется
из пластин типа	0,5
Угол пересечения вершин гофр	120˚
Геометрические размеры пластин:
- площадь поверхности
теплообмена Fпл, м2	0,5
- эквивалентный диаметр межпластинчатого
канала dэ, м2	0,009
- площадь поперечного сечения
одного канала fк, м2	2,58.10-3
- приведенная длина канала ln , м	0,8
- диаметр условного прохода
присоединяемого штуцера dу, мм	200
Теплопроводность материала
пластин λм, Вт/(м2.К)	50,5

РАСЧЕТ

Принимая ориентировочно скорости движения теплоносителей, рассчитываем определяющие критерии и коэффициенты:

- по греющей воде при

ωг=0,265 м/с

15

16

критерий Рейнольдса

Reг = ωгdэ/ν г = 0,265 .0,009 / 0,326 . 10-6 = 7315,9.

критерий Нуссельта:

Nuг = 0,135. Reг 0,73. Prг0,43(Prг/ Prст)0,25 Nuг=0,135.7315,90,73.1,950,43.(1)=119,1;

коэффициент теплоотдачи:

αг = Nuгλг/dэ=119,1.0,68/0,009=8999,4 Вт/(м2.К);

- по нагреваемой воде при

Wн=0,24 м/с

критерий Рейнольдса

Reн = Wнdэ/νH = 0,24.0,009/1,65.10-6=1309,1;

критерий Нуссельта

Nuн = 0,135. Reн 0,73. Prн0,43; Nuн=0,135.1309,10,73.1,720,43=86,49.

коэффициент теплоотдачи

αн = Nuнλн/dэ=86,49.0,555/0,009=5333,6 Вт/(м2.К);

коэффициент теплопередачи аппарата

k = 0,7.(1/αг + δ/λ + 1/αн)-1; k=0,7(1/8999,4+0,63.10-4+1/5333,6)-1;

k=1934,8 Вт/(м2.К).

Расчетная площадь поверхности теплообмена аппарата

Fan = Qр/k ∆t = 12,6.106/1934,8.31,7=205,4 м2.

С учетом загрязнения, принимаем пластинчатый теплообменник с поверхностью теплообмена 208 м2.

Конструктивный расчет теплообменного аппарата. Площадь поперечного сечения пакета

fп = V/3600W;

16

17

fп.г= 294,0/3600.0,265 = 0,309 м2.

С целью снижения гидравлических потерь, учитывая возможные отложения накипи и грязи, расчетное сечение пакета увеличиваем на 30 %.

fп.г' =1,3.0,309=0,4019 м2

Принимаем симметричную компоновку по теплоносите-

лям:

fп.г' = fп.н =0,4019 м2.

Число каналов в пакете: m=fп/fk=0,4019/2,58.10-3=155,8 кан.

Принимаем 156 каналов.

Сохраняя симметричность компоновки, принимаем χ=4 пакета: по 2 последовательно включенных пакета по теплоносителю.

В пакете 156/4=39 каналов.

Число пластин в пакете n =2.39=78

Площадь поверхности теплообмена одного пакета

Fп=Fпл.n=0,5.78=39 м2

Число пластин в аппарате: N=78.4=312+1=313 пластин.

Схема компоновки пластин в аппарате с сохранением симметрии:

78 Сχ 79 78 .

79

Принимаем аппарат типа ПР 0,5-158-2-0,2-11.

17

18

Аппарат разборный с пластинами 0,5 м2, на двухопорной раме, прокладка из резины марки 4326, пластины из стали

10Х17Н13М2Т.

ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ

Расчет состоит в определении суммарных потерь давления ∆Р теплоносителя при движении его в трубах теплообменника, которые складываются из потерь давления за счет трения о стенки труб ∆Рт и местных сопротивлений ∆Рм , возникающих при изменении сечения трубы и при входе и выходе теплоносителя из аппарата.

∆Р=∆Рт + ∆Рм.

Потери давления за счет трения теплоносителя о стенки

труб

∆Рт = λт(L/dэ)(ρW2/2),

где λт - коэффициент гидравлического сопротивления тре-

нию в трубах (λт=64/Re при ламинарном течении Re≤ 2300; λт=0,316/ Re0,25 при турбулентном течении Re≥ 104); L –

длина трубы, м; dэ - эквивалентный диаметр трубы, м; ρ - плотность теплоносителя, кг/м3; W - средняя скорость движения теплоносителя, м/с.

Потери давления, вызываемые местными сопротивле-

ниями

∆Рм = ζ ρ W 2/ 2,

где ζ – коэффициент местного сопротивления.

При расчетах теплообменных аппаратов можно прини-

мать следующие значения ζ
Входная или выходная камера	1,5
Поворот (на угол 180˚) между ходами
или секциями	2,5
Вход в межтрубное пространство
под углом 90˚	1,5
Поворот в U-образных трубах	0,5
Поворот (на угол 180˚) через перегородку

18

19
в межтрубном пространстве	1,5
Поворот (на угол 180˚) через колено в
секционных аппаратах	2
Движение в круглых змеевиках
(n – число витков)	0,5n
Поперечное движение в межтрубном	3m/ Re0,25
пространстве (m – число труб в ряду)

После расчета ∆Р находят мощность насоса, необходимую для перемещения теплоносителей, Вт

N=G∆Р/ρη,

где G – массовый расход жидкости, кг/с; ρ- плотность теплоносителя перед нагнетателем, кг/м3; ∆Р – потери напора при движении теплоносителя по аппарату, Н/м2; η - КПД вентилятора или насоса.

Для расчетного теплообменника.

Коэффициент гидравлического сопротивления единицы

относительной длины канала

ξ=15/Re0,25

по греющей воде

ξг =15/7315,90,25 =1,62;

по нагреваемой воде

ξн =15/13090,25=2,49.

Гидравлическое сопротивление пакетов пластин

∆Р=ξlnρω2χ /dэ2

по греющей воде

∆Рг=1,62.0,8.965,3.0,2652/0,009.2=19523,0 Па;

∆Рг=20 кПа;

по нагреваемой воде

∆Рн=2,49.0,8.1280.0,242.4/0,009.2=32637,0 Па;

∆Рн=33 кПа.

19