3 Рекуперативные теплообменники. Тепловой расчет.

В основу теплового расчета рекуперативных теплообменных аппаратов положены уравнения теплового баланса и обобщенныеуравнения теплопередачи. Уравнение теплового баланса ТА формулируется следующим образом: количество теплоты в единицу времени (за вычетом тепловых потерь), отданное нагревающим теплоносителем, равно количеству теплоты, воспринятой нагреваемым потоком, и равно количеству теплоты, пройденной через стенку.

где m₁, m₂ – расходы теплоносителей, кг/с; с₁, с₂ – их средние, массовые теплоемкости, Дж/(кгК); КПД теплообменника. индексы 1,2,(‘,“) – горячий и холодный теплоносители;

(вход, выход).Уравнение теплопередачи, Вт:

где - средняя разность температур между теплоносителями, К; F – поверхность теплопередачи, м²; коэффициент теплопередачи, Вт/(м²К);

коэффициенты конвективной теплоотдачи со стороны горячего и холодного

т еплоносителей, Вт/(м²К); λ – теплопро-водность стенки, Вт/(мК).

толщина стенки теплообменника, м;

теплопроводность стенки теплообменника, Вт/(мК). Цель теплового расчета состоит в определении температур теплоносителя на выходе из теплообменника и количества передаваемой теплоты. Рекуперат́ивный ТОА —ТОА в котором г и х теплоносители движутся в разных каналах, теплообмен происходит через стенку. Тепловой поток в каждой точке стенки сохраняет одно и то же направление. В зависимости от направления движения теплоносителей рекуперативные ТОА могут быть прямоточными при парал-лельном движении в одном направле-нии, противоточными при параллельном встречном движении, а т.ж перекрестно-точными при взаимно перпендикулярном движении двух взаимодействующих сред.

4. Рекуперативные теплообменники. Гидравлический расчет.

Рекуперативным называется теплообменник, в котором теплоносители омывают стенку с двух сторон и обмениваются при этом теплотой. При этом процесс теплообмена протекает непрерывно и имеет обычно стационарный характер. Стенка, которая омывается с обеих сторон теплоносителями, называется рабочей поверхностью теплообменника. Примером рекуперативных теплообменников являются пластинчатые и кожухотрубчатые теплообменники. Эти типы наиболее распространены в современной теплотехнике.

Пластинчатый теплообменник – устройство для передачи тепловой энергии от более нагретой среды к более холодной через тонкие металлические гофрированные пластины. Пластины, стянутые в пакет, образуют каналы, по которым протекают рабочие среды, между которыми происходит обмен тепловой энергией. Горячие и холодные каналы чередуются друг с другом. Течение рабочих сред проходит в противотоке. Передача тепла в пластинчатом теплообменнике может производиться между жидкими и парообразными веществами: пар-пар, жидкость-жидкость, жидкость-пар.

Пластинчатые теплообменники относятся к классу рекуперативных теплообменников и представляют собой аппараты, теплообменная поверхность которых образована набором тонких штампованных металлических пластин с гофрированной поверхностью. Пластины, собранные в единый пакет, образуют между собой каналы, по которым протекают теплоносители, обменивающиеся тепловой энергией. Каналы с теплоносителями А и В чередуются между собой.

Пластинчатые теплообменники разделяют по степени доступности поверхности теплообмена для механической очистки и осмотра:

- разборные

- полуразборные (полусварные)

- неразборные (паяные и сварные)

Наиболее широко применяют разборные пластинчатые теплообменники, в которых пластины отделены одна от другой резиновыми уплотнениями. Монтаж и демонтаж этих аппаратов осуществляют достаточно быстро, очистка теплообменных поверхностей требует незначительных затрат труда.

Разборный пластинчатый теплообменник состоит из пакета рабочих пластин, уплотнений, передней неподвижной плиты, верхней и нижней направляющих, задней подвижной плиты, задней стойки (штатива), комплекта стяжных болтов и гаек, патрубков для подключения входа и выхода рабочих сред. Верхняя и нижняя направляющие крепятся на передней неподвижной плите и штативе. На направляющие навешиваются пластины и задняя плита. С помощью комплекта болтов и гаек стягиваются передняя и задняя плиты, которые стягивают между собой набор рабочих пластин.

1 – передняя неподвижная плита; 2 – верхняя направляющая; 3 – задняя подвижная плита; 4 – задняя стойка (штатив); 5 – рабочая пластина; 6 – уплотнения; 7 – нижняя направляющая; 8 – патрубки; 9 – ролики для перемещения пластин вдоль направляющих; 10 - шильд с названием и техническими данными

У однозаходного пластинчатого теплообменника все входы и выходы находятся на передней плите. Чтобы закрепить пластинчатый теплообменник к полу или фундаменту предусмотрены лапки с отверстиями под крепление на неподвижной плите и штативе.

Теплообменные пластины имеют четыре проходных отверстия, которые образуют две изолированные одна от другой системы каналов. Для уплотнения пластин и каналов имеются резиновые прокладки. Прокладка 6 уложена в паз по контуру пластины и охватывает два отверстия на пластине, через которые происходят приток и вывод теплоносителя в канал между смежными пластинами, а также герметизирует два других отверстия на пластине. Уплотнительные прокладки крепятся на пластине таким образом, что после сборки и сжатия пластины в аппарате образуют две системы герметичных межпластинных каналов, по которым протекают жидкости, участвующие в теплообмене.

Полусварной пластинчатый теплообменник состоит из набора сварных модулей. Каждый модуль образован двумя теплообменными пластинами, сваренными между собой лазерной сваркой. Модули стянуты в единый пакет торцевыми плитами с помощью болтов. Каналы между двумя сварными модулями уплотняются резиновыми прокладками аналогично разборным теплообменникам.

Полусварной пластинчатый теплообменник используется, когда один из теплоносителей имеет высокое давление или температуру или является опасным веществом. Данное вещество протекает по каналам, образованным сваренными между собой пластинами. Необходимо, чтобы это вещество не оставляло загрязнений, удаление которых потребовало бы разборки теплообменника. Отсутствие резиновых прокладок в сварных модулях, как элементов наиболее подверженных разрушению при работе в агрессивных условиях, гарантирует герметичность контура.

Области применения:

В системах холодоснабжения полусварной пластинчатый теплообменник используется в качестве испарителя и конденсатора. Хладагент (фреон) протекает внутри сварных модулей, возможность его утечки при этом исключена.

В теплоснабжении, где греющим теплоносителем является пар высокого давления.

Нагрев и охлаждение агрессивных сред в технологических процессах различных отраслей промышленности.

Паяный пластинчатый теплообменник состоит из набора металлических гофрированных пластин, изготовленных из нержавеющей стали, которые соединены между собой посредством пайки в вакууме с использованием медного или никелевого припоя. На лицевой пластине (в классическом исполнении) расположены патрубки для подключения трубопроводов теплоносителей, выполненные из нержавеющей стали. У соседних пластин углы между гофрами направлены в противоположные стороны. Точки, в которых стенки гофров соприкасаются, играют роль опорных точек для пакета пластин.

Для сопротивления давлению теплоносителей паяные теплообменники, помимо пайки по контуру пластин, дополнительно пропаяны во всех указанных точках. Таким образом, увеличивается рабочий диапазон давлений, который может достигать 40-45 бар.

В отличие от разборных пластинчатых теплообменников, на краях пластин отсутствуют желобки для уплотнителей. Вместо этого край каждой пластины загибается вниз и соприкасается с соседней пластиной. Между пластинами помещается тонкая медная фольга, такого же размера, как и сами пластины. Пакет пластин зажимается между двумя более толстыми гладкими плитами, к которым присоединяются входные патрубки, и затем производится пайка пакета в вакуумной печи.

В большинстве паяных пластинчатых теплообменников в качестве припоя используется медь. Такие теплообменники называют меднопаянными. В случае если один из теплоносителей агрессивен по отношению к меди (например аммиак), используют никельпаяные теплообменники.

Целью гидравлического расчёта является определение величины потери давления теплоносителей при их движении через теплообменный аппарат. Опыт расчета пластинчатых теплообменных аппаратов показывает, что скоростями рабочих сред задаются в начале расчета, когда еще неизвестно , как они увяжутся с располагаемыми напорами на преодоление гидравлических сопротивлений.

Так как гидравлическое сопротивление в проектируемом на заданное количество рабочей среды аппарате сильно зависит от выбранной скорости потока, то сравнительно небольшие погрешности

При выборе скорости вызывают в результате значительные отклонения потерянного напора от заданного располагаемого и приводят к необходимости повторить расчет.

Для выявления связи скорости движения рабочей среды с основными параметрами проектируемого теплообменника проанализируем варианты сложных схем компоновок, при которых каналы могут быть соединены параллельно и последовательно, т.е. при сложных схемах соединения пластинчатых теплообменников , а так же в большинстве случаев компоновки разборных и полуразборных пластинчатых теплообменников.

Именно для таких сложных компоновок требуется предварительно рассчитать рациональную скорость каждой рабочей среды, чтобы достаточно точно уложиться в заданный располагаемый напор.

Гидравлическое сопротивление для каждого теплоносителя определяют по формуле: ,

где L – приведенная длина каналов, м;

d_э – эквивалентный диаметр каналов, м ;

- плотность рабочей среды;

x – число пакетов для данного теплоносителя;

w_ш – скорость в штуцерах на входе и выходе;

- для ламинарного движения; - ля турбулентного движения.

Коэффициент а определяют из следующих данных:

Тип (площадь) пластины, м² 0,2 0,3 0,6 1,3

Турбулентный режим 0,065 0,1 0,135 0,135

Ламинарный режим 0,46 0,6 0,6 0,6

Диаметр присоединяемых штуцеров d_ш=0,065 м

Скорость жидкости в штуцерах , поэтому их гидравлическое сопротивление можно не учитывать.

Коэффициент трения

Для одопакетной компоновки пластин х=1.

При скорости жидкости в штуцерах меньше 2,5 м/с их гидравлическое сопротивление можно не учитывать.

Учитывая специфику конструктивного построения и работы пластинчатых аппаратов, можно установить взаимосвязь между теплоотдачей, гидравлическим сопротивлением, геометрическими размерами и скоростью движения рабочей среды в теплообменнике.