МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ
Гаряче водопостачання
методичні вказівки
до виконання курсової роботи
для студентів спеціальності 7.06010107
"Теплогазопостачання і вентиляція"
Київ – 2010
УДК 697:620.9.04.18
ББК 31.19
Е 65
Укладачі: Е.С.Малкін, д-р техн. наук, професор
І.Е.Фуртат, канд. техн. наук, доцент
Н.В. Чепурна, асистент
Рецензент: С.В. Барановська, канд. техн. наук, доцент
Відповідальний за випуск Е.С. Малкін, д-р техн. наук, професор.
Затверджено на засіданні кафедри теплотехніки,
протокол № 2 від “ 20 ” вересня 2010 року.
Гаряче водопостачання.
Е 65 Методичні вказівки до виконання курсової роботи. Уклад.: Е.С.Малкін, І.Е.Фуртат, Н.В. Чепурна - К.:КНУБА, 2010.- 24 с.
Обґрунтована необхідність вивчення предмету і виконання даної роботи. Наведені дані для виконання курсової роботи і методика її виконання.
Призначені для студентів спеціальності 7.06010107 "Теплогазопостачання і вентиляція" для практичного використання при виконанні курсової роботи.
Загальні положення
Метою виконання даної курсової роботи є ознайомлення студентів з методами розрахунку пластинчатих теплообмінних апаратів для систем гарячого водопостачання. При виконанні курсової роботи необхідно дотримуватись таких вимог:
виписати вихідні дані для виконання проектного розрахунку, всі величини, при необхідності, перерахувати в одиниці СІ;
супроводжувати рішення коротким пояснювальним текстом, обов’язково вказуючи найменування величини, що визначається, розрахункову формулу і літературне джерело, яке використовується;
обчислення проводити в розгорнутому вигляді, результати округлювати і проставляти одиниці виміру в системі СІ.
Курсова робота повинна бути оформлена у відповідності до існуючих вимог. У верхній частині титульного аркуша вказується найменування міністерства, вузу і кафедри, в середній частині – назва курсової роботи, номер варіанту, і відомості про студента (ПІБ, група, шифр - № залікової книжки), вчений ступінь і звання викладача, який керував виконанням роботи, в нижній частині – вказується рік виконання роботи.
Текст пояснювальної записки слід писати на стандартних аркушах А4 з одного боку.
До виконання курсової роботи слід приступати тільки після ґрунтовного вивчення матеріалу курсу.
Курсову роботу треба захистити у встановлений навчальним планом термін.
Теоретичні основи
Системи гарячого водопостачання є одними з найбільших споживачів енергії. Їх сумарна теплова потужність становить близько 10 % від загальної потужності систем енергоспоживання в Україні. У той же час сучасні системи гарячого водопостачання, як промислових підприємств, так і житлово-комунального сектору, відзначаються дуже низькими термічними і особливо ексергетичними коефіцієнтами корисної дії (ККД). Таке становище викликане двома основними причинами: низьким температурним рівнем процесів і дуже малою часткою корисно використаної теплової енергії від витраченої на приготування гарячої води.
Споживання гарячої води має нестабільний характер протягом доби, причому витрати води по годинах відрізняються у шість і більше разів. Це призводить до нестабільної роботи водопідігрівачів і мереж, які за таких умов повинні розраховуватися на максимальні витрати. Для підвищення стабільності роботи таких систем і зменшення потужності трубопроводів і обладнання на них між нагрівачами і споживачами води встановлюють добові баки-акумулятори.
Одним з головних шляхів підвищення термодинамічної ефективності систем гарячого водопостачання є використання низькотемпературного потенціалу скидної гарячої води. Розрахунки показують, що використання у якості ВЕР скидної води, дозволяє підвищити енергетичний ККД систем до 40-50 %.
Теплообмінне обладнання займає важливе місце в системах гарячого водопостачання. Необхідність його удосконалення не викликає сумнівів. Основні вимоги до нових рішень – енергозбереження, зниження металоємності і габаритних розмірів теплообмінників, підвищення надійності і комфортності систем гарячого водопостачання. Основними технічними рішеннями для виконання вказаних вимог є ефективне використання компактних теплообмінних апаратів інтенсивної дії – пластинчастих конструкцій (рис.1).
Рис.1. Загальний вигляд теплообмінника пластинчастого типу
Поверхня теплообміну пластинчастих апаратів являє собою набір тонких штампованих теплопередаючих пластин з гофрованою поверхнею і колекторними отворами для проходу робочих середовищ.
Каналом в теплообміннику називається герметичний простір між двома з’єднаними пластинами. Робоче середовище (теплоносій), що входить в апарат, потрапляє в свої канали через поздовжні колектори пакета, утворені кутовими отворами пластин і малими прокладками, які ущільнюють ці отвори. З колектора теплоносій розповсюджується по декільком паралельним каналам. Сукупність каналів, по яким середовище тече в одному напрямі, називають пакетом (ходом). Один або декілька пакетів, вміщених між рухомою і нерухомою плитами, називають секцією. У зварних апаратах інколи секцією називають пару пластин, які зварені в один канал. Схему компоновки пластин визначають розрахунковим шляхом відповідно до заданого температурного режиму, кількості робочих середовищ і втрат тиску.
Компоновку пластин в апараті і напрям руху робочих середовищ зображають умовним позначенням - схемою компоновки у вигляді дробового запису. У чисельнику наводять компоновку пластин для охолоджуваного середовища, а в знаменнику - для того, що нагрівається. Вертикальні стрілки показують напрям руху кожного середовища в каналах пакету, горизонтальні стрілки - напрям руху середовищ в колекторах апарату. У загальному випадку схема компоновки пластин позначається так:
де m1 - число каналів в пакеті (ході) для охолоджуваного середовища;
1…k - число послідовно включених ходів;
m2 - число каналів в пакеті для середовища, що нагрівається;
1…р - число послідовно включених пакетів для середовища, що нагрівається.
Загальне число пластин в апараті можна визначити складанням числа каналів для охолоджуваної і такої, що нагрівається робочих середовищ:
Додатковий канал по стороні ходу гріючого середовища в крайньому пакеті призначений для охолоджування зовнішніх поверхонь (плит). Це дозволяє створити теплову ізоляцію пакетів від рами і навколишнього середовища.
Кожна пластина в працюючому апараті омивається двома робочими середовищами: з одного боку - охолоджуваним, з іншого – тим, що нагрівається. На рис.2 приведена схема компоновки пластин в два симетричні пакети при однаковій кількості каналів. Для кожного середовища можна застосовувати різні варіанти компоновки пластин в апараті.
Рис 2. Компоновка пластин
Робоче середовище через вхідний штуцер поступає в подовжній колектор, що утворюється кутовими отворами і прокладками пластин, і рухається по ньому до пластини. З колектора робоче середовище проходить в міжпластинні канали через ділянки, на яких відсутні прокладки ущільнювачів. У кожному колекторі ці ділянки розташовані через одну пластину, завдяки чому утворюється система гарячих і холодних каналів. Пройшовши міжпластинні канали, робоче середовище (рідина) потрапляє в протилежний колектор і виводиться з апарату або проходить в наступний пакет.
При заданій витраті теплоносія, що проходить через апарат, можна розрахувати швидкість його руху у міжпластинних каналах. Оптимальна швидкість досягається за рахунок зменшення (або збільшення) числа каналів в пакеті.
Пакет завжди обмежений пластиною, що має неповну кількість кутових отворів (пластини 4, 5, і 6 на рис.2). Такі пластини називають граничними. Існує конструктивний варіант компоновки пластин, в якому пластини 4 і 1 мають повну кількість кутових отворів, проте гранична пластина 5 завжди має непросічене місце під отвір. З першого пакету рідина прямує по протилежному колектору уздовж теплообмінника до чергової граничної пластини, після чого розподіляється по каналах другого пакету в напрямі, протилежному її руху в першому пакеті.
Робочі середовища, як правило, рухаються в апараті протитечійно.
Ефективність роботи пластинчастого теплообмінника залежить від правильного вибору схеми компоновки пластин. Багатоваріантність компоновки пластин в теплообміннику дозволяє настроювати апарат на заданий гідравлічний опір і максимальний, за цих умов, коефіцієнт теплопередачі Оптимальну схему компоновки пластин визначають на основі розрахунків.
Для попереднього нагріву водопровідної води скидною водою застосовують двотрубні теплообмінники типу «труба в трубі».(рис. 3).
Рис. 3. Двотрубний теплообмінник типу «труба в трубі»
Теплообмінники цього типу складаються з ряду послідовно з'єднаних ланок. Кожна ланка являє собою дві співвісні труби. Для зручності очищення і заміни внутрішні труби зазвичай з'єднують між собою «калачами» або колінами. Двотрубні теплообмінники, що мають значну поверхню нагріву, складаються з ряду секцій, паралельно з'єднаних колекторами. Якщо одним із теплоносіїв є насичена пара, то його, як правило, направляють в міжтрубний (кільцевий) простір. Такі теплообмінники часто застосовують як рідинні або газорідинні. Підбором діаметрів внутрішньої і зовнішньої труб можна забезпечити обом робочим середовищам, які беруть участь у теплообміні, необхідну швидкість для досягнення високої інтенсивності теплообміну.
Переваги двотрубного теплообмінника: високий коефіцієнт тепловіддачі, придатність для нагріву або охолодження середовищ при високому тиску, простота виготовлення, монтажу та обслуговування. Недоліки - громіздкість, висока вартість внаслідок великої витрати металу на зовнішні труби, які не беруть участь в теплообміні, складність очищення кільцевого простору.
Умови роботи теплообмінників в системах гарячого водопостачання залежать від схеми їх приєднання.
Найчастіше застосовуються двоступеневі схеми: послідовна (рис.4) і змішана (рис.5).
Рис. 4. Двоступенева послідовна схема включення теплообмінників ГВП
Рис. 5. Двоступенева змішана схема включення теплообмінників ГВП
Значно рідше застосовують паралельну схему (рис.6), яку можна розглядати як окремий випадок змішаної схеми за відсутності I ступені.
Рис. 6. Паралельна схема включення теплообмінників ГВП
Теплообмінники в цих схемах працюють в широкому діапазоні зміни витрат граючої води та води, яка нагрівається, що залежить від графіка навантаження гарячого водопостачання. Мало змінюється лише температура водопровідної води на вході і виході теплообмінника (за наявності регулятора температури). Таким чином, в теплообмінниках гарячого водопостачання змінними є як сезонні, так і добові режими.
При паралельній схемі приєднання (рис. 6) витрата охолоджуваного середовища (мережної води) так само як і витрата водопровідної води, що нагрівається, при заданій температурі мережної води, пропорційна тепловому навантаженню гарячого водопостачання.
Розрахунок теплообмінника при паралельній схемі включення повинен проводитися для найбільш важких умов його роботи: при максимальному тепловому навантаженні і мінімальній температурі охолоджуваного середовища, тобто в точці зламу температурного графіка. При цьому температури охолоджуваного середовища і середовища, що нагрівається, є фіксованими. Вибір оптимального значення кінцевої температури охолоджуваного середовища – це техніко-економічне завдання: її зниження приводить до збільшення необхідної площі поверхні теплообміну і зменшення витрати мережної води і, відповідно, діаметру теплової мережі.
На (рис. 7) наведена схема системи гарячого водопостачання з теплообмінником попереднього нагріву водопровідної води скидною водою.
Рис.7. Схема системи ГВП