Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Омский государственный технический университет»

Теплообменное оборудование компрессорных, холодильных, технологических установок и систем кондиционирования

Методические указания по проведению

лабораторных и практических работ

Омск – 2007

Составители: Январев Игорь Анатольевич, канд. техн. наук, доцент;

Пиляева Юлия Александровна

Для студентов, обучающихся по специальностям 150801 «Вакуумная и компрессорная техника физических установок», 140401 «Техника и физика низких температур», 240100 – “Химическая технология и биотехнология”, 240801 «Машины и аппараты химических производств».

Печатается по решению редакционно-издательского совета ОмГТУ.

Лабораторная работа № 1

1. Определение геометрических характеристик теплопередающих поверхностей теплообменных элементов и аппаратов

Цель работы:

Изучение конструктивных особенностей теплопередающих поверхностей и теплообменных элементов основных видов теплообменных аппаратов, применяемых в компрессорных, холодильных, технологических установках и системах кондиционирования и определение их геометрических характеристик.

Основные конструкции теплообменных аппаратов, применяемых в компрессорных, холодильных, химико-технологических установках и системах кондиционирования отображены на рис. 1.1. К ним относятся:

а)	д)
б)	е)
в)	ж)
г)	з)

Рис. 1.1. Основные типы теплообменных аппаратов

кожухотрубные теплообменники (КТА) (рис. 1.1а), трубчато-ребристые теплообменники (ТРТ) (рис. 1.1б), пластинчато-ребристые теплообменники (ПРТ) (рис. 1.1в), труба в трубе (ТТ) (рис. 1.1г), змеевиковые тепло-обменники (ЗТ) (рис. 1.1д), пленочные теплообменники (ПТ) (рис. 1.1е), форсуночные теплообменники (ФТ) (рис. 1.1ж), пластинчатые теплообменники (ПлТ) (рис. 1.1з).

К числу наиболее распространенных теплообменных аппаратов, которые используются в компрессорных установках относятся прежде всего кожухотрубные, трубчато-ребристые и пластинчато-ребристые теплообменники. Рассмотрим их более подробно.

Кожухотрубные теплообменники (рис. 1.2) состоят из трубного пучка 1 с коридорным (рис. 1.2б) или шахматным (рис. 1.2в) расположением труб, установленного в корпусе 2 между двумя трубными досками 3,4. С торцевых сторон к корпусу 2 подсоединены крышки 5,6 с патрубками 7,8 для подвода и отвода в трубное пространство охлаждающей воды (воспринимающая тепло среда). С боковых сторон к корпусу 2 подсоединены патрубки 9,10 для подвода охлаждаемой среды (отдающая тепло среда), например сжатого газа, масла в межтрубное пространство.

а)

б) в)

Рис. 1.2. Кожухотрубный теплообменник

Для обеспечения многоходового движения сред в межтрубном пространстве и в пространстве между крышками 5,6 и трубными досками 3,4 устанавливаются перегородки 11,12.

Трубчато-ребристые теплообменники (рис. 1.3) имеют трубный пучок 1, состоящий из нескольких рядов оребренных труб, соединенных со сборными коллекторами 2,3. Подвод и отвод охлаждающей среды в трубное пространство осуществляется с помощью патрубков 4,5. Охлаждающая среда (атмосферный воздух) подается в межтрубное пространтсво вентилятором через коллектор 6. Оребрение труб может быть пластинчатым, спирально-навивным, спирально-накатным, проволочным, стерженьковым и т.д.

Рис. 1.3. Трубчато-ребристый теплообменник

Пластинчато-ребристые теплообменники (рис. 1.4) состоят из пакета, образованного набором гофрированных насадок 1, между которыми установлены проставочные листы 2 с образованием чередующихся каналов для охлаждаемой и охлаждающей сред. Для обеспечения герметичности этих каналов между проставочными листами 2 с двух противоположных сторон установлены боковые уплотняющие бруски 3,4. Для подвода и отвода сред к пакету присоединены коллекторы 5–8 с соответствующими патрубками 9–12.

Рис. 1.4. Пластинато-ребристый теплообменник

Анализ теплообменного оборудования компрессорных, холодильных, химико-технологических установок и систем кондиционирования выявил самый широкий спектр возможных вариантов конструктивного исполнения применяемых в них теплообменных объектов.

Теплообменный объект – устройство либо совокупность устройств, для передачи теплоты от среды (сред) с более высокой температурой к среде (средам) с более низкой температурой.

По конструктивной сложности можно выделить следующие теплообменные объекты ТО:

– модуль теплопередающей поверхности (МТП), представляющий собой часть поверхности теплообмена, полностью характеризующий ее конструктивную специфику (например, для КТА – труба произвольной длины, ребро на трубе, для ПРТ – характерная часть гофрированной насадки);

– теплопередающая поверхность (ТП) – поверхность теплообмена, состоящая из одинаковых модулей (например, для КТА пучок гладких или оребренных труб, для ПРТ – гофрированная насадка, определенного вида);

– теплообменный элемент (ТЭ) – характерная часть теплопередающей поверхности, ограниченная конструктивными элементами с целью образования полостей для движения двух теплообменивающихся сред, с элементарной схемой их взаимодействия (например, для ПРТ теплообменный элемент на базе пластинчато-ребристой поверхности);

– теплообменный аппарат (ТА) – конструктивно-автономный теплообменный объект из одной или нескольких теплопередающих поверхностей, ограниченных конструктивными элементами с целью образования полостей для движения двух и более теплообменивающихся сред с произвольной схемой их взаимодействия (элементы, ряды, комплексы, системы элементов), и имеющий устройства для входа и выхода сред.

Если в теплообменном аппарате взаимодействует более двух сред, то аппарат является системой теплообменников, которая конструктивно-компоновочно может быть выполнена в виде одного ТА, секции ТА, блока ТА, или теплообменной группы:

Таким образом, теплопередающая поверхность и теплообменный элемент определяют конструктивную специфику и условия, при которых осуществляется теплообмен между средой и стенкой и между двумя средами соответственно.

Например, на рис. 1.5 изображен теплообменный элемент (рис. 1.5а), образованный пластинчато-ребристой теплопередающей поверхностью и ее разновидности (рис. 1.5б-е).

а) б) в)

г) д) е)

Рис. 1.5. Теплообменный элемент и виды теплопередающих поверхностей пластинчато-ребристого теплообменника

В общем случае все теплообменные аппараты характеризуются различными геометрическими показателями и размерами, среди которых как общие следует выделить:

– площадь полной теплообменной поверхности со стороны отдающей (горячей) и воспринимающей (холодной) сред;

– площадь поверхности оребрения со стороны отдающей и воспринимающей сред;

– коэффициент оребрения со стороны отдающей и воспри-нимающей сред;

– компактность теплообменной поверхности со стороны отдающей и воспринимающей сред;

– площадь проходного сечения по отдающей и воспринимающей средам;

– габариты, а именно длина L, ширина В, и высота H теплообменника (без учета коллекторов).

Кроме того, каждый вид теплообменника характеризуется своими геометрическими характеристиками.

Так, для проведения тепловых и гидравлических расчетов кожухотрубных и трубчато-ребристых теплообменников необходимо знать:

– компоновку труб в пучке, характеризуемую расстояниями между соседними трубами ( – расстояние между трубами по фронту движения среды, – расстояние между трубами вдоль тракта движения среды), пучки характеризуются также относительными поперечными ( ) и продольными ( ) расстояниями между осями труб (поперечные и продольные шаги), где – наружный диаметр труб (рис. 1.2б,в);

– общее количество труб (количество труб в первом ряду , количество рядов труб );

– эквивалентный диаметр межтрубного пространства , внутренний и наружный диаметр труб , диаметр по оребрению (рис. 1.6);

– характеристики оребрения, а именно шаг , высоту , толщину ребер (рис. 1.6);

– число ходов по трубному и межтрубному пространству или по отдающей , воспринимающей средам;

Рис. 1.6. Теплопередающая поверхность кожухотрубного

или трубчато-ребристого теплообменника

Для расчета пластинчато-ребристых теплообменников необходимо знать:

– тип геометрии пластинчато-ребристых теплопередающих поверхностей или насадок (прямоугольная, эвольвентная, треугольная, просечная и т.д.);

– параметры насадки, а именно высота ребра , шаг ребер , толщина ребра , наименьшее расстояние между ребрами , эквивалентный диаметр канала (рис. 1.7);

– компоновку слоев каналов по отдающей и воспринимающей средам (Г-Х: =1, =1; Г-ХХ: =1, =2; ГГ-Х: =2, =1);

– число ходов по отдающей , воспринимающей средам.

Рис. 1.7. Теплопередающая поверхность (насадка)

пластинчато-ребристого теплообменника

Формулы для расчета геометрических характеристик теплопередающих поверхностей, теплообменных элементов и аппаратов приведены в табл. 1.1-1.2.

Таблица 1.1

Расчет геометрических характеристик КТА и ТРТ

№ п/п	Наименование	Обозначение	Формула
1	2	3	4
1	Эквивалентный диаметр межтрубного пространства КТА с гладкими трубами, м		, (1.1) где D – диаметр корпуса
2	Эквивалентный диаметр межтрубного пространства КТА с оребреными трубами, м		, (1.2)

Окончание табл. 1.1

1	2	3	4
3	Площадь теплообменной поверхности, м2 : – полная для гладких труб; – полная для оребренных труб; – оребренная (с круглыми ребрами)	F F	(1.3) π Lтр ·nтр {(1 – δр/τ р )dн + +[dор δр + (dор2–dн2)/2]Eр/τр } (1.4) (1.5) где – длина труб; – эффективность ребра
4	Площадь проходного сечения, м2 : – при поперечном обтекании пучка гладких труб; – при продольном обтекании гладких труб, – при поперечном обтекании оребренных труб (между двумя соседними трубами)		(1.6) (1.7) (S1– dн) Lтр – (d ор – dн) δр · · [ Lтр /(τ р + δ р) ] (1.8) где – число руб на диагонали
5	Коэффициент оребрения	φ	F/Fгл =[(dор2 – dн2) / 2+dор ·δр + +dн(τ р - δ р )] / (dн τ р ) (1.9)
6	Компактность теплообменной поверхности	β	F/V, (1.10) где V – объем теплообменной поверхности

Таблица 1.2

Расчет геометрических характеристик ПРТ

№ п/п		Наименование		Обозна- чение		Формула
1		2		3		4
1		Длина ребра, м				(1.11)
2		Периметр канала, м				(1.12)
3		Свободное сечение одного канала, м2				(1.13)
4	Эквивалентный диаметр канала, м				(1.14)
5		Свободное сечение 1 метра насадки, м2/м				(1.15)

Окончание табл. 1.2

1	2	3	4
6	Компактность ребер однослойной насадки, м2/м3		(1.16)
7	Компактность полной поверхности насадки, м2/м3		(1.17)
8	Компактность ребер пз слоев, м2/м3		(1.18)
9	Площадь полной поверхности теплообмена, м2	F	(1.19) где – длина по фронту движения среды; – длина по тракту движения среды; – длина брусков
10	Площадь оребренной поверхности теплообмена, м2	Fр	(1.20)
11	Площадь проходного сечения, м2	Fпр	(1.21)
12	Коэффициент оребрения	φ	(1.22)