ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИСТЕТ
КАМЫШИНСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ФИЛИАЛ)
ВОЛГОГРАДСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
КАФЕДРА «ОБЩЕТЕХНИЧЕСКИЕ ДИСЦИПЛИНЫ»
ТЕПЛОПРЕОБРАЗУЮЩИЕ
УСТАНОВКИ
Методические указания
к практическому занятию и выполнению семестрового задания
по дисциплине «Энергоснабжение»
РПК «Политехник»
Волгоград
2006
УДК 621.1.016: 620.9](07)
Т 34
ТЕПЛОПРЕОБРАЗУЮЩИЕ УСТАНОВКИ: Методические указания к практическому занятию и выполнению семестрового задания по
дисциплине «Энергоснабжение» / Сост. А. А. Шеин, Е. П. Богданов:
Волгоград. гос. техн. ун-т. – Волгоград, 2006. – 37 с.
Разработаны в соответствии с рабочей программой по дисциплине
«Энергоснабжение». Включают в себя краткие теоретические сведения
по существующим конструкциям теплообменных аппаратов, а также
методику их расчета.
Предназначены для закрепления теоретического материала и привития практических навыков по расчету и подбору теплообменных аппаратов.
Методические указания предназначены для студентов обучающихся по направлению «Электроэнергетика» (код ОКСО 140200), и специальности «Электроснабжение» (код ОКСО 140211) по сокращенной
подготовке всех форм обучения, а также могут быть использованы студентами среднего профессионального образования, обучающимися по
специальности «Электроснабжение (код ОКСО 140212) (по отраслям)».
Ил. 9. Библиогр.: 2 назв.
Рецензент: к. т. н., доцент А. Г. Сошинов
Печатается по решению редакционно-издательского совета
Волгоградского государственного технического университета
Составители: Александр Александрович Шеин, Евгений Павлович Богданов.
ТЕПЛОПРЕОБРАЗУЮЩИЕ УСТАНОВКИ: Методические указания к практическому
занятию и выполнению семестрового задания по дисциплине «Энергоснабжение».
Под редакцией авторов.
Темплан 2006 г., поз. № 14. Подписано в печать 18. 04. 2006 г. Формат 60×84 1/16.
Бумага листовая. Гарнитура «Times». Усл. печ. л. 2,31. Усл. авт. л. 2,19.
Тираж 100 экз. Заказ № 23.
Волгоградский государственный технический университет
400131 Волгоград, просп. им. В. И. Ленина, 28.
РПК «Политехник»
Волгоградского государственного технического университета
400131 Волгоград, ул. Советская, 35.
© Волгоградский
государственный
технический
университет, 2006
2
Тема: Теплопреобразующие установки и методика их расчета.
Цель занятия: Изучить конструкции теплопреобразующих установок и научить студентов проводить их расчет и подбор.
Время проведения: 4 часа.
1. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ИЗУЧЕНИЯ ТЕМЫ ЗАНЯТИЯ




изучить теоретический материал;
ответить на контрольные вопросы;
разобрать примеры расчета теплообменных аппаратов;
выполнить самостоятельно семестровое задание в соответствии с таблицей вариантов (с. 27).
2. КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
2.1. Виды и классификация теплообменных аппаратов
Теплопреообразующими установками называются устройства
преобразующие параметры теплоносителей. К основным видам теплопреобразующих установок относятся теплообменные аппараты.
Теплообменными аппаратами называются устройства, в которых
осуществляется процесс передачи теплоты от одного теплоносителя к
другому.
По принципу действия теплообменные аппараты (теплообменники) подразделяются на рекуперативные, регенеративные и смесительные. Особое место занимают теплообменники с внутренними источниками энергии: электронагреватели, реакторы и др.
II
II
I
I
II
II
Рис. 1. Простейший рекуперативный теплообменник: I, II – теплоносители
Рекуперативными называются теплообменники, в которых горячая и холодная среда протекают одновременно, и теплота передается
через разделяющую их стенку (котлы, подогреватели, испарители, конденсаторы и др.). На рис. 1 показан пример рекуперативного теплооб3
менника, в котором один из теплоносителей (нагреваемый – I) протекает внутри труб, а второй (греющий – II) в межтрубном пространстве,
омывая их наружные поверхности. Стенка, которая омывается с обеих
сторон теплоносителями, называется рабочей поверхностью теплообменника.
Регенеративными называются теплообменники, в которых одна и
та же поверхность нагрева через определенные промежутки времени
омывается то горячим, то холодным теплоносителем. В период контакта стенки с горячим теплоносителем она нагревается, а в период подачи
холодной среды охлаждается, нагревая среду за счет аккумулированной
теплоты. К таким аппаратам относятся воздухонагреватели газотурбинных установок, мартеновских и доменных печей.
Рис. 2. Регенеративный воздухонагреватель:
а – общий вид; б – отдельные пластины различной формы; 1 – газовые патрубки;
2, 5 – радиальное и периферийное уплотнения; 3 – неподвижный наружный кожух;
4 – набивка; 6 – вид ротора; 7 – верхний и неподвижный наружный кожух;
8 – воздушные патрубки; 9 – электродвигатель
В качестве примера на рис. 2 представлена схема регенеративного
воздухоподогревателя с медленно вращающимся (2…5 об/мин) ротором – аккумулятором теплоты. Ротор имеет набивку из тонких гофрированных стальных листов (см. рис. 2 б), заключенных в закрытый кожух 3. К кожуху присоединяются воздушный и газовый короба. Во
время работы теплообменника ротор его вращается, поэтому нагретые
элементы набивки непрерывно переходят из полости горячего газа в
полость холодного воздуха, а охладившиеся элементы – наоборот.
4
Одним из оригинальных
устройств, использующих в качестве теплоносителя пар и его
q
q конденсат, является герметичная
труба, заполненная частично
конденсат
жидкостью, а частично паром
(рис. 3). Такое устройство способно передавать большие тепРис. 3. Схема работы тепловой трубы
ловые мощности и называется
с возвратом конденсата под
тепловой трубой. На горячем
действием гравитационных сил
конце тепловой трубы за счет
подвода теплоты испаряется жидкость, а на холодном – конденсируется
пар, отдавая выделившуюся теплоту. Конденсат возвращается в зону
испарения либо самотеком, если холодный конец можно разместить
выше горячего, либо за счет использования специальных фитилей, по
которым жидкость движется под действием капиллярных сил в любом
направлении, даже против сил тяжести (как спирт в спиртовке).
Тепловые трубы с самотечным возвратом конденсата известны
давно. Широкое распространение тепловых труб с фитилями началось
недавно в связи с необходимостью отвода больших тепловых потоков
от мощных, но малогабаритных полупроводниковых устройств. Практически незаменимы тепловые трубы с фитилями в космосе. Для охлаждения механических, электрических или радиотехнических устройств
в земных условиях широко используется естественная конвекция. В
космосе естественной конвекции не может быть, поскольку отсутствует
сила тяжести и нужны иные способы отвода теплоты. Тепловые трубы
с фитилями могут работать и в невесомости. Они малогабаритны, не
требуют затрат энергии на перекачку теплоносителей и при соответствующем подборе рабочего
агента работают в широком интервале температур.
Смешивающими называются
такие теплообменные аппараты, в
которых тепло- и массообмен происходят при непосредственном
Рис. 4. Смешивающий теплообменник
контакте и смешивании теплоносидля подогрева воды паром при
телей. Поэтому смешивающие тептемпературе удалении
лообменники иногда называют
растворенных газов
контактными. Наиболее важным
фактором в рабочем процессе смешивающего теплообменного аппарата
поток пара
5
является поверхность соприкосновения теплоносителей. В качестве
примера на рис. 4 показана схема смешивающего теплообменника (деаэратора) для подогрева воды паром при термическом удалении растворенных в ней газов (кислорода).
2.2. Конструкции теплообменных аппаратов поверхностного типа
Рис. 5. Типы кожухотрубчатых теплообменников:
а – одноходовые; б – многоходовые; в – пленочный;
г – с линзовым компенсатором; д – с плавающей головкой закрытого типа;
е – с плавающей головкой открытого типа;
ж – с сальниковым компенсатором; з – с U- образными трубками;
1 – кожух; 2 – выходная камера; 3 – трубная решетка; 4 – трубы;
5 – входная камера; 6 – продольная перегородка; 7 – камера;
8 – перегородки в камере; 9 – линзовый компенсатор;
10 – плавающая головка; 11 – сальник;
12 – U- образные трубы; I, II – теплоносители
Конструкции рекуперативных теплообменных аппаратов весьма
разнообразны, рассмотрим некоторые из них.
Кожухотрубные теплообменники (рис. 5) выполняются из пучков труб скрепленных при помощи трубных решеток (досок), которые
ограниченны кожухами и крышками с патрубками. Трубки кожухотрубчатых аппаратов изготавливают прямыми или изогнутыми (U об6
разными) диаметром d = 12÷57 мм. Материал трубок выбирается в зависимости от среды теплоносителя, омывающего ее поверхность. Применяются трубки из латуни, стали и специальных сплавов. Трубные
решетки служат для закрепления в них трубок при помощи развальцовки, заварки, запайки или сальниковых соединений. Трубные решетки зажимаются болтами между фланцами кожуха и крышки или привариваются к кожуху.
Кожух (корпус) представляет собой цилиндр, сваренный из листов
стали толщиной не меньше δ = 4 мм. К цилиндрическим кромкам кожуха приваривают фланцы для соединения с крышками или днищем.
На наружной поверхности кожуха или днища привариваются патрубки
и опоры аппарата.
Крышки кожухообразных аппаратов имеют форму плоских плит,
конусов, сфер, а чаще всего выпуклых или вогнутых эллипсов.
Трубное и межтрубное пространство в аппаратах могут быть разделены перегородками на несколько ходов. Перегородки предназначены для увеличения скорости и, следовательно, коэффициента теплоотдачи теплоносителей.
Теплообменники этого типа предназначаются для теплообмена
между различными теплоносителями – это между жидкостями и паром,
между жидкостями и газами. При нагреве жидкости паром в большинстве случаев пар вводится в межтрубное пространство, а нагреваемая
жидкость протекает по трубкам.
Рис. 6. Секционные теплообменники:
а – водяной подогреватель теплосети; б – типа «труба в трубе»;
1 – линзовый компенсатор; 2 – трубки;
3 – трубная решетка с фланцевым соединением с кожухом;
4 – «калач»; 5 – соединительные патрубки
Секционные теплообменники (рис. 6) состоят из нескольких последовательно соединенных секций, каждая из которых представляет
7
собой кожухотрубчатый теплообменник с малым числом труб и кожухом небольшого диаметра.
В секционных теплообменниках при одинаковых расходах жидкостей скорости движения теплоносителей в трубках и межтрубном пространстве почти равновелики, что обеспечивает повышенные коэффициенты теплопередачи по сравнению с обычным трубчатым теплообменниками.
Недостатками секционных теплообменников являются: высокая
стоимость единицы поверхности нагрева, так как деление ее на секции
вызывает увеличение количества наиболее дорогих элементов аппарата
– трубных решеток, фланцевых соединений, переходных камер и т. д.;
значительные гидравлические сопротивления вследствие различных
поворотов и переходов вызывают повышенный расход электроэнергии
на привод прокачивающего теплоносителя насоса.
Спиральные теплообменники (рис. 7) состоят из двух спиральных каналов прямоугольного сечения, по которым движутся теплоносители греющей – I и нагреваемый – II. Каналы образуются металлическими плитами, которые служат поверхностью теплообмена. Внутренние концы спиралей соединены разделительной перегородкой. Для
обеспечения жесткости конструкции и фиксирования расстояния между спиралями приваривают бобышки. С торцов спирали закрывают
крышками и стягивают болтами.
Рис. 7. Типы спиральных теплообменников:
а – горизонтальный; б – вертикальный;
1, 3, – листы; 2 – разделительная перегородка;
4 – крышки I, II – теплоносители
Горизонтальные спиральные теплообменники применяют для теплообмена между двумя жидкостями. Для теплообмена между конденсирующимся паром и жидкостью используют вертикальные спиральные теплообменники. Такие теплообменники применяются в качестве
конденсаторов и паровых подогревателей для жидкости.
8
Достоинство спиральных теплообменников это их компактность и
меньшее гидравлическое сопротивление для прохода теплоносителей.
Недостатки – сложность изготовления, ремонта и непригодность
работы под избыточным давлением свыше Р = 1,0 МПа.
Пластинчатые теплообменники (рис. 8) имеют плоские поверхности теплообмена. Такие теплообменники обычно применяют для
теплоносителей, коэффициенты теплоотдачи которых одинаковы. Теплообменники состоят из штампованных металлических листов с внешними выступами, расположенными в коридорном или шахматном поряд-
Рис. 8. Пластинчатый теплообменник
а – элемент его пакета;
б – пластины с ребрами разной формы для теплообменника типа «газ-газ»
ке.
Такие конструкции применяются для теплообмена между жидкостями и газами и работают при перепадах давлений до 12 МПа. Благодаря незначительному расстоянию между пластинами (6…8 мм) такие
теплообменники весьма компактны. Удельная поверхность нагрева составляет 200…300 м2/м3. Поэтому пластинчатые теплообменники в ряде случаев вытесняют трубчатые и спиральные.
Однако теплообменником такой конструкции присущи следующие
недостатки: трудность чистки внутри каналов, ремонт, частичная заме9
ны поверхности теплообменника, а также невозможность изготовления
из чугуна и др. хрупких материалов и длительная эксплуатация.
В настоящее время в системах теплоснабжения жилищнокоммунальных хозяйств и ряда промышленных предприятий в качестве
подогревателей горячего водоснабжения и отопления устанавливают
пластинчатые теплообменники «Теплотекс» (рис. 9) вместо ранее используемых для этих целей традиционных секционных кожухотрубчатых подогревателей.
Рис. 9. Пластинчатый водоводяной теплообменник «Теплотекс»:
а – общий вид; б – схема движения теплоносителей
Это связано с целым рядом преимуществ.
1. Коэффициент теплопередачи в пластинчатых теплообменниках в 3…4 раза больше, чем в кожухотрубчатых, благодаря специальному гофрированному профилю проточной части пластины, обеспечивающему высокую степень турбулизации потоков теплоносителей. Соответственно в 3…4 раза поверхность пластинчатых теплообменников
меньше, чем кожухотрубчатых.
2. Пластинчатые теплообменники имеют малую металлоемкость,
очень компактны, их можно установить в небольшом помещении.
3. В отличие от кожухотрубчатых они легко разбираются и легко
чинятся. При этом не требуется демонтаж подводящих трубопроводов.
4. В пластинчатом теплообменнике можно легко и быстро заменить пластину или прокладку, а также увеличить его поверхность, если
со временем возрастет тепловая нагрузка.
10
Ребристые теплообменники (рис. 10) применяются в тех случаях,
когда коэффициент теплоотдачи  для одного из теплоносителей
11
Рис. 10. Типы ребристых теплообменников:
а – пластинчатые; б – чугунная труба с круглыми ребрами;
в – трубка со спиральным оребрением;
г – чугунная труба с внутренним оребрением;
д – плавниковое оребрение трубок;
е – чугунная труба с двусторонним игольчатым оребрением;
ж – проволочное (биспиральное) оребрение трубок;
з – продольное оребрение труб; и – многоребристая трубка
12
значительно ниже, чем для второго. Поверхность теплообмена со стороны теплоносителя с низким значением  увеличивают по сравнению
с поверхностью теплообмена со стороны другого теплоносителя. В таких аппаратах поверхность теплообмена имеет на одной стороне ребра
различной формы. Как видно из рис. 10, ребристые теплообменники изготавливают самых различных конструкций. При этом ребра, выполняют поперечными, продольными, в виде игл, спиралей, из витой проволоки и т. д.
3. РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ
ПОВЕРХНОСТНОГО ТИПА
3.1. Виды расчета теплообменных аппаратов
Конструкции теплообменных аппаратов весьма разнообразны, однако существует общая методика теплотехнических расчетов. Существуют два вида расчетов: конструкторский и поверочный.
Конструкторский расчет выполняется при проектировании теплообменного аппарата, когда заданы теплопроизводительность аппарата, теплоносители, их расходы и параметры. Целью конструкторского
расчета является определение поверхности теплообмена и конструктивных размеров выбранного типа аппарата. Конструкторский расчет
состоит из теплового, гидравлического и механического расчетов.
Поверочный расчет проводится для установления возможности
применения имеющихся или стандартных теплообменных аппаратов
для покрытия необходимых тепловых нагрузок потребителей тепла.
При поверочном расчете заданы размеры аппарата, его конструкция,
условия работы, а также некоторые параметры теплоносителей (температуры, расходы). Целью расчета является выбор условий, обеспечивающих относительный режим работы аппарата.
Расчет теплообменника сводится к совместному решению уравнения теплового баланса:
Q = Gг  Сг  (tг - tг)   = Gн  Сн  (tн - tн).
И уравнения теплопередачи: Q = k  F  ∆t,
где Q – тепловая производительность, Вт;
Gг, Gн – расходы теплоносителей, греющего и нагреваемого, кг/с;
Сг, Сн – теплоемкость теплоносителей, Дж/кгК;
tг - tг, tн - tн – начальные и конечные температуры теплоносителей, С;
 – коэффициент, устанавливающий потери теплоты аппаратов в окружающую среду;
k – коэффициент теплопередачи, Вт/м2К;
F – расчетная поверхность теплообмена, м2;
∆t – средний логарифмический температурный напор, С.
13
3.2. Алгоритм расчета теплообменных аппаратов
СОСТАВИТЬ
Структурную схему подогревателя (рис. П1) в соответсвии с
заданием и указать параметры теплоносителей
ОПРЕДЕЛИТЬ
Для
пароводяных
подогроевателей
Для
водоводяных
подогревателей
расход греющей воды
Gг по формуле (2)
Площадь живого сечения трубок подогревателя ƒ /тр по формуле (3)
По ближайшему значению ƒ /тр подобрать тип стандартного подогревателя
по табл. П3
по табл. П4
Истинную скорость течения воды в трубках Wтр по формуле (4)
в межтрубном пространстве
Wмт по формуле (5)
Критериальное число Рейнольдса в трубке Reтр по формуле (6)
в межтрубном пространстве
Reмт по формуле (8)
Коэффициент теплоотдачи от греющей среды к стенке трубки a1 и
от стенки к нагреваемой среде a2 в зависимости от вида и режима
течения теплоносителя
a1 - по формулам (13, 14)
a1 - по формулам (10, 11, 12)
a2 - по формуле (10)
a2 - по формуле (10)
Коэффициент теплопередачи от греющей среды к нагреваемой
по формуле (17)
Теплопроизводительность подогревателя по формуле (18)
Изменение температур в подогревателе ∆t ., ∆tм.
∆tм, ∆t - по формулам
∆tм, ∆t - по формуле
(20, 21); рис. 5 а,б
(22); рис. 5 в
Средний логарифмический температурный напор ∆t по формуле (19)
Общая поверхность нагрева F подогревателя по формуле (23)
Количество секций n подогревателя по формуле (24)
Скомпоновать секции подогревателя и выполнить чертеж
рис. П2
рис. П3
КОНЕЦ
14
4. МЕТОДИКА РАСЧЕТА ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ
ПОВЕРХНОСТНОГО ТИПА
Исходные данные и цель расчета. По заданному расходу Gн, т/ч
и параметрам нагреваемого t н , t н , С теплоносителя, необходимого
для покрытия тепловых нагрузок промышленного предприятия, а также
параметрам греющего теплоносителя tг , tг , С; P, МПа поступающего
от теплопроизводящей установки, определить необходимую поверхность нагрева F теплообменного аппарата. По каталогу подобрать тип и
количество секций n подогревателя.
Методика расчета
В начале расчета изображается принципиальная схема подогревателя и указываются параметры теплоносителей соответствующие варианту семестрового задания (рис. П 1).
Для водоводяных подогревателей, используя уравнение теплового
баланса Qн = Qг, определяется расход греющей воды:
(1)
G нC(t н  t н )  G г С(t г  t г ) ,
G н (tн  t н )
откуда
,
(2)
Gг 
(t г  t г )
где Gн, Gг – расходы нагреваемой и греющей воды, кг/ч;
t н , t н – температуры нагреваемой воды на входе и выходе теплообменного аппарата, С;
t г , t г – температуры греющей воды на входе и выходе теплообменного аппарата, С;
 – тепловой кпд подогревателя, принимается в пределах
 = (0,98  0,99).
Нагреваемая вода протекает внутри трубок, греющая среда (вода или водяной пар) в межтрубном пространстве.
Площади живого сечения трубок для водоводяных и пароводяных
подогревателей определяются по формуле:
Gн
′тр =
,
(3)

3600Wтр
где Wтр – скорость течения воды в трубках величина которой принимается в пределах:

для водоводяных водогревателей Wтр  0,5  1,5 м/с;

для пароводяных подогревателей Wтр  1,0  3,0 м/с.
15
По таблицам П-3 и П-4 подбирается тип стандартного подогревателя с ближайшим значением величины расчетной площади живого сечения трубок ′тр и выписываются его технические характеристики.
Затем определяется истинная скорость воды в трубках Wтр для водоводяного и пароводяного подогревателей и в межтрубном Wмт пространстве для водоводяного подогревателя.
Истинная скорость течения воды в трубках:
Gн
,
(4)
Wтр 
3600 тр
где тр – площадь живого сечения трубок, принимается по техническими характеристикам стандартного подогревателя, м2.
Истинная скорость течения воды в межтрубном пространстве:
Gг
,
(5)
Wмт 
3600 мт
где мт – площадь живого сечения межтрубного пространства,
принимается по техническими характеристикам стандартного подогревателя, м2.
Гидродинамический режим течения воды в трубках подогревателя
(нагреваемой), определяется для водоводяных и пароводяных аппаратов по величине критериального числа Рейнольса:
Wтр d в
,
(6)
Re тр 

где dв – внутренний диаметр трубок, принимается по техническим
характеристикам стандартного подогревателя, как dв = dн – 2, м;
 – толщина стенки трубки, принимается по техническим характеристикам подогревателя, мм;
 – коэффициент кинематической вязкости воды, принимается
по табл. П-1, как  = (tн.ср), м2/с.
Средняя температура нагреваемой воды в трубках:
t   t 
(7)
t н.ср  н н ,
2
где t н , t н – температуры нагреваемой воды на входе в подогреватель и выходе из него, С.
Гидродинамический режим течения воды в межтрубном пространстве (греющей) определяется для водоводяных подогревателей по значению критериального числа Рейнольса:
W d
(8)
Re м.т  м.т эк ,

где dэк – эквивалентный диаметр межтрубного пространства, принимается по конструктивным характеристикам подогревателя, м;
16
 – коэффициент кинематической вязкости воды, принимается
по табл. П-1, как  = (tг.ср), м2/с.
Средняя температура греющей воды в межтрубном пространстве
определяется:
t  t
(9)
t г .ср  г г ,
2
где t г , t г – температура греющей воды на входе в подогреватель и
выходе из него, С.
Режим течения жидкости определяется по критериальному числу
Рейнольса, Reкр. = 2320,
если Re  Reкр. режим течения воды ламинарный;
если Re  Reкр. режим течения воды турбулентный.
Коэффициенты теплоотдачи 1 Вт/(м2 С) от греющей среды к
стенке и от стенки к нагреваемой среде 2 Вт/(м2  С) определяются по
формулам:
при турбулентном движении воды вдоль трубок (снаружи или внутри)
W 0,8
(10)
1, 2  (1630  21t  0,041t 2 )  0, 2 ;
d
при турбулентном движении воды поперек пучка трубок:
W 0,64
(11)
1, 2  (1163  17,5t  0,0465t 2 )  0, 36 ;
d
при ламинарном движении вдоль или поперек пучка трубок:
W 0, 2
(12)
1, 2  (93,1  0,7t  0,00175t 2 )  0,5  t 0,1 ;
d
при пленочной конденсации на вертикальной стенке и малой скорости пара (Wп = 1,0  2 м/с):
7400  75,5t k  0,23t k2
1 
;
(13)
( H  t ) 0 , 25
при пленочной конденсации на наружной поверхности горизонтального пучка трубок:
4920  58t k  0,175t k2
1 
,
(14)
(m  d  t ) 0 , 25
где t – средняя температура воды, С;
tk – температура пленки конденсата – средняя между температурой насыщения и средней температурой стенки трубок определяется как:
t t
(15)
t k  н ст ,
2
17
tн – температура насыщения (кипения) воды, принимается по табл.
П-2, как tн = (Р), С;
Р – давление водяного пара, Па;
tст – средняя температура стенки трубок, С;
t н  t н ср.
t ст 
,
(16)
2
∆t – разность температур насыщенного пара и стенки трубок;
W – скорость воды в трубках или межтрубном пространстве, м2/с;
d – наружный диаметр трубки, м;
Н – высота трубки, равная ее длине Н = L, м;
m – приведенное число трубок в вертикальном ряду горизонтального пучка, шт.
Коэффициент теплопередачи от греющей среды к нагреваемой
определяется по формуле, Вт/(м2  С):
1
,
(17)
k
1  ст  нак
1



1  ст  нак  2
где 1, 2 – коэффициенты теплоотдачи от греющей среды к стенки и от стенки к нагреваемой среде, Вт/(м2  С);
ст, толщина стенки трубы, принимается по техническим характеристикам подогревателя, м;
нак, толщина слоя накипи, принимается в пределах: для водоводяных подогревателей нак = (0,2  0,4) мм, для пароводяных
нак = (0,1  0,2) мм
ст – коэффициент теплопроводности стенки трубы, принимается по справочной литературе, для латуни ст = 110,7 Вт/(м  С);
нак – коэффициент теплопроводности накипи, принимается
по справочной литературе нак = 2,33 Вт/(м  С).
Теплопроизводительность подогревателя определяется по формуле, Вт:
(18)
Q  G нСв (t н  tн ) ,
где Gн – расход нагреваемой воды, кг/с;
Св – теплоемкость воды, С = 4190 Дж/(кг  С).
Среднелогарифмический температурный напор ∆t для водоводяных прямоточных или противоточных и пароводяных подогревателей
определяется по формуле:
t  t м
t  
,
(19)
t
ln 
t м
18
где ∆t, ∆tм – большая и меньшая величина разности температур
между греющей и нагреваемой средой, С.
Изменения температур ∆t, и ∆tм показано на рис. 5 и определяется:

для водоводяного подогревателя в случае прямотока
(20)
t   tг  tн ;
t м  t г  t н ,

в случае противотока
(21)
t   tг  tн ;
t м  t г  tн ,

для пароводяного подогревателя
(22)
t   t k  tн ;
t м  t k  t н ,
где tk – температура насыщения (конденсации), определяется по
табл. П 2, как tk = (P).
t
t
tг
tг
t
tн
tг
t
tг
tм
tм
tн
tн
tн
F
F
а
б
t
tk
tk
tм
tн
td
tн
н
F
в
Рис. 5. Изменение температуры теплоносителей:
а – прямоточный водоводяной подогреватель;
б – противоточный водоводяной подогреватель;
в – пароводяной подогреватель
Общая поверхность нагрева подогревателя определяется по формуле, м2:
Q
,
(23)
F
k  t
где Q – теплопроизводительность подогревателя, Вт;
19
k – коэффициент теплопередачи, Вт/(м2  С);
∆t – среднелогарифмический температурный напор, С.
Зная площадь поверхности нагрева одной секции fед, (см. технические характеристики подогревателя), определим количество секций необходимых для бойлерной установки, шт:
F
.
(24)
n
fе д
После этого указывается маркировка подогревателя, компонуется
бойлерная установка и выполняется ее чертеж.
5. ПРИМЕРЫ РАСЧЕТОВ
Пример 1. Произвести тепловой расчет, подобрать тип и количество секций водоводяного горизонтального противоточного подогревателя для бойлерной установки промышленного предприятия.
Исходные данные: расход и параметры нагреваемой воды для
нужд промышленного предприятия составляют Gн = 100 т/ч, t н  5 С ,
t н  75 С . Параметры горячего теплоносителя
t г  150 С ,
t г  70 С .
Решение. Изобразим принципиальную схему противоточного водоводяного подогревателя (рис. 6).
tг =150 С
t н =75 С
tн=5 C
t г= 70 C
Рис. 6. Принципиальная схема противоточного водоводяного подогревателя
Определим расход греющей воды по формуле (2):
100  103  (75  5)
Gг 
 88832 кг/ч  88,8 т/ч.
(150  70)  0,985
По формуле (3) определим площадь живого сечения трубок:
100
 тр 
 0,02778 м2.
3600  1,0
20
По ближайшему значению расчетной величины  тр  0,02778 м2
выбираем подогреватель номер 16 (по табл. П 4), который имеет технические характеристики:

площадь живого сечения трубок ƒтр = 0,02325 м2;

диаметр трубок dн = 16  1 мм;

материал трубок – латунь;

число трубок z = 151 шт;
 площадь живого сечения межтрубного пространства
ƒмт = 0,044645 м2;

эквивалентный диаметр межтрубного пространства dэк = 0,0208 м;

площадь поверхностности нагрева одной секции fед = 28 м2;

диаметр корпуса Dн = 325 мм;

диаметр присоединительного патрубка dп = 219 мм;

длина секции L = 5232 мм.
Определим истинную скорость течения воды в трубках по формуле (4):
100
Wтр 
 1,19 м/с.
3600  0,02325
Истинную скорость течения воды в межтрубном пространстве по
формуле (5):
88,8
Wмт 
 0,552 м/с.
3600  0,04464
Гидродинамический режим течения воды в трубках подогревателя
по формуле (6):
Re тр 
1,19  14  103
 25280 ;
0,659  10 6
Среднюю температуру нагреваемой воды в трубках по формуле (7):
75  5
t н.ср 
 40 С;
2
Гидродинамический режим течения воды в межтрубном пространстве по формуле (8):
0,552  0,0208
Re мт 
 42212 ;
0,272  10 6
Среднюю температуру греющей воды в межтрубном пространстве
по формуле (9);
150  70
t г .ср 
 110 С.
2
21
Сравнивая фактические числа Рейнольдса Reтр, Reмт с критериальным числом Reкр устанавливаем, что в трубках и межтрубном пространстве режим течения воды турбулентный, т. к. 25280  2320 и
42212  2320.
Поэтому для определения коэффициента теплоотдачи от греющего
теплоносителя к стенкам трубок используем формулу (11):
0,5520,64
 7071 Вт/(м2  С).
(16  10 3 ) 0,36
Коэффициент теплоотдачи от стенки трубок к нагреваемому теплоносителю определяем по формуле (10):
1  (1163  17,5  110  0,0465  1102 ) 
 2  (1630  21  40  0,041  402 ) 
1,190,8
 6491 Вт/(м2  С).
0,0140,2
Определяем коэффициент теплопередачи от греющей среды к
нагреваемой по формуле (17):
1
К
 2308 Вт/(м2  С).
3
1
1  10
0,3  10 3
1



7071 110,7
2,33
6491
По формуле (18) определяем теплопроизводительность подогревателя:
100  103
Q
4190(75  5)  8147,2 кВт.
3600
Изобразим схему изменения температуры теплоносителей в соответствии с рисунком 5 б.
t =75 С
t
tг=150 С
t н= 75 С
t г=70 С
t м= 65 С
t н=5 С
F
Рис. 7 Изменение температуры теплоносителей для
противоточного водоводяного подогревателя
Определим изменение температур в подогревателе по формуле (21):
22
∆t = 150 – 75 = 75 C, ∆tм = 70 – 5 = 65 C.
Определим средний логарифмический температурный напор по
формуле (19):
75  65
t 
 69,9 C.
75
ln
65
Общая поверхность нагрева определяем по формуле (23):
8147,2  103
 50,5 м2.
2308 69,9
Определим количество секций подогревателя для бойлерной установки по формуле (24):
50,5
n
 1,8 шт.
28
Для бойлерной установки принимается 2 секции подогревателя
типа 10-3253232-151 ОСТ 34-588-68. Подогреватель на давление
Р = 10 кг/см2, диаметром Dн = 325 мм, длиной L = 3232 мм, с числом
трубок 151 шт. Выполним чертеж бойлерной установки (рис. П-2).
F
Пример 2. Произвести тепловой расчет, подобрать тип и количество секций пароводяного горизонтального двухходового подогревателя для бойлерной установки промышленного предприятия.
Исходные данные: расход и параметры нагреваемой воды для нужд
промышленного предприятия составляют Gн = 100 т/ч, t н  5 С ,
tн  75 С . Горячий теплоноситель водяной пар с параметрами Р = 0,5 МПа.
Изобразим принципиальную схему пароводяного двухходового
подогревателя (рис. 8).
водяной пар Р = 0,5 МПа
t н= 75 С
t н=5 С
конденсат
Рис. 8. Принципиальная схема пароводяного подогревателя
Определяем площадь живого сечения трубок подогревателя по
формуле (3):
23
100
 0,0139 м2.
3600  2,0
По табл. П-3 подбираем тип стандартного подогревателя по ближайшему значению расчетной величины  тр  0,0139 м2. Выбираем
 тр 
подогреватель номер 3, который имеет технические характеристики:

площадь живого сечения трубок  тр  0,0136 м2;






диаметр трубок dн = 16  1 мм;
материал трубок – латунь;
общее количество трубок z = 176 шт;
приведенное число трубок в вертикальном ряду m = 12,6;
площадь живого сечения межтрубного пространства
 мт  0,135 м2;
площадь поверхностности нагрева одной секции f е д  24,4 м2;

диаметр корпуса Dк = 480 мм;

диаметр присоединительного патрубка dп = 159 мм;

длина трубок Lтр = 3000 мм

общая длина корпуса Lк = 3750 мм.
По формуле (4) определяем истинную скорость воды в трубках:
100
Wтр 
 2,04 м/с.
3600  0,0136
Гидродинамический режим течения воды в трубках определяется
по формуле (6):
Re тр 
2,04  14  103
 43338 .
0,659  10  6
Среднюю температуру нагреваемой воды в трубках по формуле (7):
75  5
t н ср. 
 40 С.
2
Сравнивая фактическое число Рейнольдса Reтр с критериальным
числом Reкр, устанавливаем, что в трубках режим течения воды турбулентный, т. к. 43338  2320. Поэтому для определения коэффициента
теплоотдачи от стенки трубок к нагреваемому теплоносителю, протекающему внутри трубок, используем формулу (10):
 2  (1630  21  40  0,041  402 ) 
2,040,8
 9990 Вт/(м2  С).
0,0140,2
Определим среднюю температуру стенки трубок по формуле (16):
151,84  40
t ср 
 95,92 С.
2
24
Температуру пленки конденсата по формуле (15):
151,84  95,92
tк 
 123,9 С.
2
Разность температур насыщенного пара и стенки трубок:
∆t = tн – tст = 151,84 – 95,92 = 55,9 С.
Коэффициент теплоотдачи от греющей среды (водяного пара) к
стенкам трубок, для нашего случая, определяем по формуле (14):
4920  58  123,9  0,175  123,9 2
 5147 Вт/(м2  С).
(12,6  16  10 3  55,9) 0,25
Определяем коэффициент теплопередачи от греющей среды к
нагреваемой по формуле (17):
1
К
 2718 Вт/(м2  С).
3
3
1
1  10
0,15  10
1



5147 110,7
2,33
9990
Теплопроизводительность подогревателя определяем по формуле (18):
100  103
Q
4190(75  5)  8147,2 кВт.
3600
Изобразим схему изменения температуры теплоносителей, используя рис. 5 в.
1 
t
tK
t K = 151,84 C
t н =75 C t м
td
F
t н =5 C
Рис. 9. Изменение температуры теплоносителей
для пароводяного теплоносителя
Определяем изменения температур в подогревателе по формуле (22):
∆t = 151,84 – 5 = 146,84 С, ∆tм = 151,84 – 75 = 76,84 С.
Определяем средний логарифмический температурный напор по
формуле (19):
25
146,84  76,84
 108 С.
146,84
ln
76,84
Общую поверхность нагрева определяем по формуле (23):
t 
8147,2  103
 27,7 м2.
2725 108
Определим количество секций подогревателя для бойлерной установки по формуле (24):
27,7
n
 1,13 шт.
24,4
Для бойлерной установки принимаем 2 секции подогревателя типа
4803750-1762 ОСТ 34-588-68. Подогреватель двухходовой диаметром Dн = 480 мм, длиной L = 3750 мм, с числом трубок 176 шт. Выполним чертеж бойлерной установки (рис. П-3).
F
6. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Какие устройства называются теплообменными аппаратами?
2. Как классифицируются теплообменные аппараты по принципу действия?
3. Дайте определение рекуперативного теплообменника и приведите пример.
4. Что называется рабочей поверхностью теплообменника?
5. Дайте определение регенеративного теплообменника.
6. Какие материалы используются в качестве аккумулятора теплоты в регенеративных теплообменниках?
7. Что такое тепловая трубка и принцип ее работы?
8. Дайте определение смешивающего теплообменника, привести
пример.
9. Напишите уравнение теплового баланса, применяемого при
расчете поверхностного теплообменника.
10. Напишите уравнение теплопередачи, применяемого при расчете теплообменника.
11. Изобразите характерные схемы движения теплоносителей в
теплообменных аппаратах.
12. Написать уравнение критериального числа Рейнольдса и пояснить, что оно определяет?
13. Написать уравнение коэффициента теплопередачи и раскрыть
входящие в него величины.
14. Как влияют загрязнения поверхностей нагрева на работу теплообменного аппарата и как они учитываются при расчете?
26
15. Как определяется средний логарифмический температурный
напор при прямоточном движении теплоносителей?
16. Как определяется средний логарифмический температурный
напор при противоточном движении теплоносителей?
17. Как определить средний логарифмический температурный
напор между теплоносителем в пароводяных теплообменных аппаратах?
18. Для чего применяют ребристые теплообменники?
19. Основные виды теплоносителей используемых в производственных теплообменных аппаратах.
20. Физический смысл коэффициента теплопроводности и что он
характеризует?
21. Устройство кожухотрубчатых теплообменников.
22. Для чего в кожухотрубчатых теплообменниках устанавливают
перегородки?
23. Основные типы кожухотрубчатых теплообменников.
24. Основные типы и устройство секционных теплообменников.
25. Почему в секционных теплообменниках коэффициент теплопередачи выше чем в обычных кожухотрубчатых?
26. Основные типы и устройство спиральных теплообменников.
27. Недостатки секционных теплообменников.
28. Достоинства и недостатки спиральных теплообменников.
29. Устройство пластинчатых теплообменников и их недостатки.
30. Достоинства пластинчатого теплообменника типа «Теплотекс» по сравнению с кожухотрубным.
31. Почему при одинаковой теплопроизводительности пластинчатые теплообменники имеют габаритные размеры в 3…4 раза меньше
кожухотрубчатых?
32. В каких случаях применяют ребристые теплообменники?
33. Основные типы ребристых теплообменников.
34. Виды расчета теплообменных аппаратов.
35. Какие основные уравнения используют для типового расчета
теплообменного аппарата?
36. Как влияют загрязнения поверхностей нагрева на работу теплообменного аппарата?
27
28
150
140
125
110
100
95
100
125
125
140
135
110
135
140
105
115
145
140
-
70
80
80
65
60
70
70
80
80
90
70
75
85
90
80
75
90
85
-
0,6
0,8
1,0
1,2
0,9
0,7
1,3
1,3
1,2
1,3
1,0
0,9
5
7
8
9
7
9
6
5
10
7
5
6
5
5
5
6
7
8
8
9
6
7
8
6
6
7
8
8
9
6
65
85
90
75
70
70
85
55
95
80
65
90
85
70
85
95
60
85
85
70
85
95
80
95
87
67
85
97
78
95
Контрольные вопросы
на выходе из теплообменника, tн, С
60
50
70
45
80
70
90
100
110
65
40
120
130
130
130
160
140
150
150
150
170
120
140
180
100
45
135
120
140
80
на входе в теплообменник, tн, С
Водоводяной вертикальный прямоточный
Водоводяной горизонтальный противоточный
Пароводяной вертикальный двухходовой
Водоводяной вертикальный прямоточный
Пароводяной вертикальный четырехходовой
Водоводяной горизонтальный противоточный
Пароводяной горизонтальный двухходовой
Водоводяной горизонтальный прямоточный
Пароводяной горизонтальный четырехходовой
Водоводяной вертикальный противоточный
Водоводяной вертикальный прямоточный
Пароводяной вертикальный двухходовой
Водоводяной горизонтальный противоточный
Водоводяной горизонтальный прямоточный
Пароводяной горизонтальный четырехходовой
Водоводяной вертикальный противоточный
Водоводяной вертикальный прямоточный
Пароводяной горизонтальный двухходовой
Пароводяной вертикальный четырехходовой
Водоводяной горизонтальный прямоточный
Пароводяной горизонтальный четырехходовой
Водоводяной горизонтальный прямоточный
Водоводяной горизонтальный прямоточный
Водоводяной вертикальный двухходовой
Водоводяной вертикальный противоточный
Водоводяной вертикальный прямоточный
Пароводяной вертикальный четырехходовой
Водоводяной горизонтальный противоточный
Водоводяной горизонтальный прямоточный
Пароводяной горизонтальный двухходовой
давление пара на входе в теплообменник Р, МПа
Расход нагреваемого теплоносителя, Gн, т/ч
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
на выходе из теплообменника, tг, С
Вид
подогревателя
Параметры теплоносителей
нагрегреющего
ваем.
на входе в теплообменник, tг, С
Номер варианта
7. ТАБЛИЦА ВАРИАНТОВ ИСХОДНЫХ
ДАННЫХ СЕМЕСТРОВОГО ЗАДАНИЯ
1,18
3,20
5,22
7,24
9,26
11,28
13,30
15,32
17,34
19,36
21,2
23,4
25,6
27,8
29,10
31,12
33,27
35,25
34,23
32,21
30,1
28,3
26,5
24,7
22,9
20,11
18,13
16,15
14,17
12,19
8. ТРЕБОВАНИЯ К ОФОРМЛЕНИЮ
СЕМЕСТРОВОГО ЗАДАНИЯ
1. Текст пояснительной записки излагается на одной стороне листа формата А 4 (210297) и должен включать расчеты, пояснения и
выводы.
2. В используемых формулах, значения каждого нового параметра должно быть пояснено текстом.
3. Графическая часть вычерчивается в масштабе карандашом на
листе формата А 4 в соответствии с требованиями ГОСТ и ЕСКД.
29