Расчет теплообменных аппаратов

 

3.1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Теплообменными аппаратами (теплообменниками) называются устройства, предназначенные для обмена теплотой между греющей и обогреваемой рабочими средами. Последние называются теплоносителями.

Необходимость передачи теплоты от одного теплоносителя к другому возникает во многих отраслях техники: в энергетике, в химической, металлургической, нефтяной, пищевой и других отраслях промышленности.

Независимо от принципа действия теплообменные аппараты, применяющиеся в различных отраслях техники, как правило, имеют свои специфические названия. Эти названия определяются технологическим назначением и конструктивными особенностями. Однако с теплотехнической точки зрения все аппараты имеют одно назначение – передачу теплоты от одного теплоносителя к другому. Последнее определяет те общие положения, которые лежат в основе теплового расчета любого теплообменного аппарата.

В аппаратах поверхностного типа теплоносители ограничены твердыми стенками. Поверхностью нагрева называется часть поверхности этих стенок, через которые передается теплота.

Рекуперативными называются такие теплообменные аппараты, в которых теплообмен между теплоносителями происходит через разделительную стенку. При теплообмене в аппаратах такого типа тепловой поток в каждой точке поверхности разделительной стенки сохраняет постоянное направление.

В большинстве рекуперативных теплообменников теплота передается непрерывно через стенку то одного теплоносителя к другому теплоносителю. Такие теплообменники называются теплообменниками непрерывного действия.

Конструкции современных рекуперативных теплообменных аппаратов поверхностного типа непрерывного действия весьма разнообразны, поэтому в настоящем учебном пособии рассмотрим только некоторые из них.

Кожухотрубные теплообменники представляют собой аппараты, выполненные из пучков труб, скрепленных при помощи трубных решеток (досок) и ограниченных кожухами и крышками с патрубками. Трубное и межтрубное пространства в аппарате разобщены, а каждое из них может быть разделено на несколько ходов. Перегородки, предназначенные для увеличения скорости и, следовательно, коэффициента теплоотдачи теплоносителей (см. рис. 3.1). Теплообменники этого типа предназначаются для теплообмена: между различными жидкостями, между жидкостями и паром, между жидкостями и газами. При нагреве жидкости паром в большинстве случаев пар вводится в межтрубные пространство, а нагреваемая жидкость протекает по трубам.

а) б)

 

Рис. 3.1. Кожухотрубчатые теплообменники:

а) – с U – образными трубками; б) – с подвижной решеткой закрытого типа

 

Конденсат из межтрубного пространства выходит к конденсатоотводчику через штуцер, расположенный в нижней части кожуха. Для компенсации температурных удлинений, возникающих между кожухом и трубками, предусматривается возможность свободного удлинения труб за счет различного рода компенсаторов.

Кожухотрубчатые аппараты могут быть вертикальными и горизонтальными. Вертикальные аппараты имеют большее распространение, так как они занимают меньше места и более удобно располагаются в рабочем помещении.

Секционные трубчатые теплообменники представляют собой разновидность трубчатых аппаратов, состоят из нескольких последовательно соединенных секций, каждая из которых представляет собой кожухо-трубчатый теплообменник с малым числом труб и кожухом небольшого диаметра (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Секционный водо-водяной теплообменник:

1 – вода от ТЭЦ; 2 – вода на ТЭЦ; 3 – из водопровода; 4 – к абоненту

 

В секционных теплообменниках при одинаковых расходах жидкостей скорости движения теплоносителей в трубах и межтрубном пространстве почти равновелики, что обеспечивает повышение коэффициента теплопередачи по сравнению с обычными трубчатыми теплообменниками.

Кожухи серийных секционных теплообменников изготовляют из труб длиной до 4 м, внутренним диаметром от 50 до 500 мм. Число труб в секции от 4 до 450, поверхность нагрева от 0,75 до 50 м², трубы латунные диаметром 16/14 мм.

 

3.2 КОНСТРУКТОРСКИЙ И ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТЫАППАРАТОВ ПОВЕРХНОСТНОГО ТИПА

 

В практике встречаются два случая теплового расчета. Могут быть заданы теплопроизводительность аппарата, теплоносители и их начальные и конечные параметры; требуется определить поверхность нагрева и конструктивные размеры аппарата. Такой расчет называется конструкторским. В другом случае могут быть заданы конструкция и размеры аппарата, теплоносители и их начальные параметры; требуется определить конечные параметры теплоносителей и теплопроизводительность аппарата. Такой расчет называют поверочным.

Конструкторский тепловой расчет теплообменных аппаратов выполняется при их проектировании. В этом случае перед тепловым расчетом необходимо задаться определенной конструкцией аппарата. Расчет состоит в совместном решении уравнений теплового баланса и уравнения теплопередачи.

Для аппаратов, работающих без изменения агрегатного состояния теплоносителей (водо-водяных подогревателей), уравнение теплового баланса имеет вид

 

Q = G₁∙c₁∙(t'₁ – t"₁)∙h_N = G₂∙c₂∙(t"₂ – t'₂). (3.1)

 

Для аппарата с изменением агрегатного состояния одного из теплоносителей (пароводяных)

 

Q = D₁∙(h₁ – h_K)∙h_N = G₂∙c₂∙(t"₂ – t'₂). (3.2)

 

В уравнениях (3.1) и (3.2):

Q – тепловая производительность, Вт;

G₁ и G₂ – расходы теплоносителей, кг/с;

D₁ – расход теплоносителя, изменяющего агрегатное состояние пара, кг/с;

c₁ и с₂ – теплоемкость теплоносителей, Дж/(кг∙К);

t'₁, t"₁, t"₂ и t'₂ – начальные и конечные температуры теплоносите-

лей,°С;

h₁ – энтальпия пара, Дж/кг;

h_K – энтальпия конденсата, Дж/кг;

h_N – коэффициент, учитывающей потери тепла в окружающую среду (h_N = 0,97).

На основе этих уравнений определяют расход теплоносителей, кг/с,

 

G₁ = Q/(c₁∙(t’₁ – t”₁)∙h_N);

G₂ = Q/(c₂∙(t”₂ – t’₂)∙h_N);

D₁ = Q/((h₁ – h_K)∙h_N).

 

Поверхность нагрева подогревателя H, м², находится из уравнения теплопередачи

H = Q/(К∙Dt_СР), (3.3)

 

где Q – тепловая нагрузка, Вт;

К – коэффициент теплопередачи Вт/(м²∙К);

Dt_СР – средний температурный напор между теплоносителями,°С.

Для трубчатого теплообменника

 

H = p∙d_СР∙L∙n∙z, (3.4)

 

где d_СР – средний диаметр трубки;

L – длина трубки, м;

n – число трубок в одном ходу;

z – число ходов.

Для пароводяных и водо-водяных подогревателей величина Dt_СР, °С, определяется по формуле

 

Dt_СР = (Dt_Б – Dt_М)/ln(Dt_Б/Dt_М), (3.5)

 

где Dt_Б и Dt_М – большая и меньшая разности температур между теплоносителями на входе и выходе теплообменника.

Коэффициент теплопередачи К, Вт/(м²∙К)

 

K = 1/(1/a₁ + d_СТ/l_СТ + 1/a₂ + R_ЗАГ), (3.6)

 

где a₁ и a₂ – коэффициенты теплоотдачи с внешней и внутренней сторон трубки, Вт/(м²∙К);

d_СТ – толщина стенки трубки, м;

l_СТ – коэффициент теплопроводности материала трубки, Вт/(м∙К);

R_ЗАГ – термическое сопротивление загрязнений, (м²∙К)/Вт, отлагающихся на поверхности нагрева с обеих сторон

 

R_ЗАГ = d₁/l₁ + d₂/l₂, (3.7)

 

Где d₁ и d₂ – толщина слоев загрязнений, м;

l₁ и l₂ – коэффициенты теплопроводности слоев загрязнений, Вт/(м∙К).

При расчетах теплообменников можно принимать значения толщины слоя загрязнения накипью в соответствии с табл. 3.1. Коэффициенты теплопроводности материала трубок и загрязнений можно принимать следующими:

- латунные трубки – l = 105 Вт/(м∙К);

- стальные трубки – l = 58 Вт/(м∙К);

- загрязнения – l = 2,3 Вт/(м∙К).

Таблица 3.1

Толщина слоя загрязнения накипью