7. Примеры расчета теплообменных аппаратов

7.1. Тепловой и гидравлический расчет

горизонтального секционного подогревателя

Выбор типоразмера секционного водоводяного подогревателя и его тепловой и гидравлический расчеты производятся по формулам (1)(8), (16), (37)(39).

При этом полученный по формуле (8) коэффициент теплопередачи умножают на коэффициент эффективности теплообмена . Для гладкотрубных подогревателей с опорами в виде полок , для гладкотрубных с блоком опорных перегородок , для профилированных трубок и с блоком опорных перегородок .

Пример расчета

Выбрать типоразмер секционного водоподогревателя и произвести его тепловой и гидравлический расчет при следующих исходных данных:

- производительность аппарата Вт;

- температуры греющей воды: на входе ^оС ;

на выходе ^оС ;

- температуры нагреваемой воды: на входе ^оС ;

на выходе ^оС ;

- скорость воды в трубках аппарата (ориентировочная) м/с.

Расчет

1) Определяют расходы холодного теплоносителя в трубках и горячего теплоносителя в межтрубном пространстве аппарата.

Массовый расход нагреваемой воды:

, кг/с,

где - массовая удельная теплоемкость воды, Дж/кг.

Объемный расход нагреваемой воды:

, м³/с,

где - плотность воды при средней температуре нагреваемой воды.

, ^оС .

По таблицам Ривкина для воды при ^оС находят м³/кг:

, кг/м³.

Массовый расход греющей воды:

, кг/с.

Объемный расход греющей воды:

, м³/с,

где - плотность воды средней температуре греющей воды.

, ^оС;

, кг/м³.

2) Определяют необходимую площадь сечения трубок подогревателя при заданной скорости течения воды в трубках по формуле

, м².

3) По таблице П1 и полученной величине подбирают тип подогревателя со следующими характеристиками: м²; мм; м²; м; м² (при длине секции 4 м); мм трубки латунные непрофилированные.

4) Для выбранного типоразмера подогревателя определяют фактические скорости воды в трубках и межтрубном пространстве по формулам

, м/с,

, м/с.

5) Определяют средний коэффициент теплоотдачи от греющей воды к стенке трубки:

6) Определяют средний коэффициент теплоотдачи от стенки к нагреваемой воде:

7) Определяют коэффициент теплопередачи по формуле

,

где - коэффициент эффективности теплообмена. Для гладкотрубных аппаратов с блоком опорных перегородок =1,2;

- коэффициент, учитывающий загрязнение труб, принимают =0,9;

- коэффициент теплопроводности материала стенки. Для латуни =105 Вт/(м²К).

8) Среднелогарифмическая разность температур между греющей и нагреваемой водой:

, ^оС.

Для противоточного движения теплоносителя в данном случае:

, ^оС;

, ^оС.

9) Требуемая поверхность нагрева

, м².

10) Определяют число секций водоподогревателя длиной 4 м:

секции,

принимают =6 секций.

11) Действительная поверхность нагрева, согласно технической характеристике выбранного нами аппарата, составит

, м².

12) Потери давления в трубном пространстве подогревателя при длине секции 4 м:

, кПа,

где - коэффициент, учитывающий накипеобразование; принимают =2.

13) Потери давления в межтрубном пространстве

, кПа,

где - коэффициент, принимаемый по табл. 7.

14) Выбирают из таблиц П1 и П2 необходимые параметры выполнения габаритного чертежа с указанием присоединительных размеров и выполняют габаритный чертеж подогревателя.

15) Заносят основные характеристики аппарата в сводную табл. 9.

7.2. Расчет пластинчатых водоподогревателей (по ГОСТ 15518)

Методика расчета пластинчатых водоподогревателей основана на использовании в них всего располагаемого напора теплоносителей с целью получения максимальной скорости каждого теплоносителя и соответственно максимального значения коэффициента теплопередачи или при неизвестных располагаемых напорах как по оптимальной скорости нагреваемой воды, так и при подборе кожухотрубных водоподогревателей.

1) В первом случае оптимальное соотношение числа ходов для греющей и нагреваемой воды находится по формуле

. (62)

Если соотношение ходов получается более 2, то для повышения скорости воды целесообразна несимметричная компоновка, т.е. число ходов теплооб-менивающихся сред будет неодинаковым (рис. 7 - 9). При несимметричной компоновке получается смешанное движение потоков: в части каналов - противоток, в части - прямоток, что снижает температурный напор установки по сравнению с противоточным характером движения теплообменивающихся сред, который имеет место при симметричной компоновке, и в определенной степени уменьшает выгоду от повышения скорости воды при несимметричной компоновке. Поэтому для исключения смешанного тока теплоносителей более эффективно водоподогревательную установку собирать из двух или нескольких раздельных теплообменников с симметричной компоновкой, включенных последовательно по теплоносителю. При этом обвязка соединительными трубопроводами должна обеспечить противоток в каждом теплообменнике.

2) При расчете пластинчатого водоподогревателя оптимальная скорость принимается исходя из получения таких же потерь давления в установке по нагреваемой воде, как при применении кожухотрубного водоподогревателя, что соответствует скорости воды в каналах W_ОПТ = 0,4 м/с.

Таким образом, выбрав тип пластины рассчитываемого водоподогревателя горячего водоснабжения, по оптимальной скорости находят требуемое коли­чество каналов по нагреваемой воде т_Н

, шт., (63)

где - живое сечение одного межпластинчатого канала.

Вход греющего теплоносителя

Выход нагреваемой воды

Выход греющего теплоносителя

Вход нагреваемой воды

Рис. 7. Симметричная компоновка пластинчатого водоподогревателя,

обозначение Сх 4/5

Выход греющего теплоносителя

В ход греющего теплоносителя

Выход нагреваемой воды

Вход нагреваемой воды

Рис. 8. Нессиметричная компоновка пластинчатого водоподогревателя,

обозначение Сх (2+2)/5

Рис. 9. Схема компановки водоподогревателей I и II подогрева

в одну установку с противоточным движение воды

3) Если компоновка водоподогревателя симметричная, т.е. т = т , то общее живое сечение каналов в пакете по ходу греющей и нагреваемой воды

(64)

4) Фактические скорости греющей и нагреваемой воды, м/с:

, м/с; (65)

, м/с. (66)

В том случае, если соотношение ходов, определенное по формуле (62), ока­залось > 2, водоподогреватель собирают из двух раздельных теплообменни­ков и более. В формулах (65) или (66) расход того теплоносителя, у которого получилось меньше ходов, уменьшают соответственно в два раза и более.

5) Коэффициент теплоотдачи от греющей воды к стенке пластины определяется по формуле

, (Вт·м²)/К, (67)

где А- коэффициент, зависящий от типа пластин, принимается по табл. П4 приложения.

, ºС.

6) Коэффициент тепловосприятия от стенки пластины к нагреваемой воде принимается по формуле

, Вт(м²К), (68)

где , ºС.

7) Коэффициент теплопередачи k определяется по формуле

или , (Вт·м²)/К, (69)

где - коэффициент, учитывающий уменьшение коэффициента теплопередачи из-за термического сопротивления накипи и загрязнений на пластине; в зависимости от качества воды принимается равным 0,7 – 0,85.

8) При заданной величине расчетной производительности Q, Вт, и по

полученным значениям коэффициента теплопередачи k, Вт/(м²·К), и температурному напору , °C, определяется необходимая поверхность нагрева

по формуле

, м².

При сборке водоподогревателя из двух и более раздельных теплообменников и более теплопроизводительность уменьшается соответственно в два раза и более.

9) Количество ходов в теплообменнике X:

, шт., (70)

где - поверхность нагрева одной пластины, м².

Число ходов округляется до целой величины. В одноходовых теплообменниках четыре штуцера для подвода и отвода греющей и нагреваемой воды располагаются на одной неподвижной плите. В многоходовых теплообменниках часть штуцеров должна располагаться на подвижной плите, что вызывает некоторые сложности при эксплуатации. Поэтому целесообразней вместо устройства многоходового теплообменника разбить его по числу ходов на раздельные теплообменники, соединенные по одному теплоносителю последовательно, а по другому - параллельно, с соблюдением противоточного движения.

10) Действительная поверхность нагрева всего водоподогревателя определяется по формуле

, м². (71)

11) Потери давления , кПа, в водонагревателях следует определять по формулам:

- для нагреваемой воды

; (72)

- для греющей воды

, (73)

где - коэффициент, учитывающий накипеобразование, который для греющей сетевой воды равен единице, а для нагреваемой воды должен приниматься по опытным данным, при отсутствии таких данных можно принимать =1,5 – 2,0;

Б – коэффициент, зависящий от типа пластины;

- скорость при прохождении максимального секундного расхода нагреваемой воды.

Пример расчета

Выбрать и рассчитать водоподготовительную установку пластинчатого теплообменника, собранного из пластин 0,6_Р, при тех же исходных данных, что и в приме-ре 7.1. Пластины толщиной 0,8 мм из стали 12Х18Н10Т с коэффициентом теплопроводности 16 Вт/(мК).

1) Учитывая соотношение расходов горячего и холодного теплоносителей

= 8,7210^-3 м³/с и =12,0810^-3 м³/с (см. пример 7.1), принимают симметричную компоновку теплообменника.

2) По оптимальной скорости воды = 0,4 м/с и наибольшему расходу определяют требуемое количество каналов:

, шт,

где - площадь поперечного сечения канала; принимается по таблице технических характеристик пластин (табл. П4 ) =0,00245 м².

Принимают т_к = 13.

3) Общее живое сечение каналов в пакете:

, м².

4) Фактические скорости греющей и нагреваемой воды:

, м/с;

,м/с.

5) Коэффициент теплоотдачи от греющей воды к стенке пластины:

, Вт/(м²·К),

где А - коэффициент, зависящий от типа пластин, принимается по табл. П4 А=0,492.

, ºС.

6) Коэффициент теплоотдачи от стенки к нагреваемой воде:

, Вт/м²·К.

, °С.

7) Коэффициент теплопередачи определяется с учетом заданной толщины слоя загрязнений = 0,2 мм и коэффициента теплопроводности этого слоя

, Вт/(м²·К).

8) Требуемая поверхность теплообмена:

, м²,

где - среднелогарифмическая разность температур между горячим и холодным теплоносителем.

, ºС.

9) Количество пакетов теплообменника

хода,

где - поверхность нагрева одной пластины, м²; принимается из табл. П4 =0,6м².

10) Действительная поверхность нагрева:

, м².

11) Потери давления в водоподогревателе:

- нагреваемой воды:

, кПа;

- греющей воды:

, кПа,

где - для нагреваемой воды;

- для греющей воды;

Б - коэффициент, зависящий от типа пластины по табл. П4 , Б=3.

12) Окончательно выбирают теплообменник Р 0,6_р-0,8-46,2-1К-01, схема компоновки

.

По расчетным данным и данным табл. П4 - П6 выполняют габаритный чертеж теплообменника.

13) Заносят основные характеристики аппарата в сводную табл. 9.