Учебное пособие 800409

где d- диаметр первого витка внутренней спирали (принимается в пределах

0,3-0,8 м);

S- расстояние между центрами первых витков – шаг спиралей, м.

Рис. 18. Схема спирального ТОА

Ширина керна, bK , м:

Количество витков спирали, n:

71

3.6.4. Пластинчатые ТОА

Элементом тракта движения жидкости в пластинчатом аппарате является канал — пространство между двумя соседними пластинами. Совокупность нескольких каналов, по которым рабочая среда течет в одном направлении, в практике проектирования называют пакетом (рис.19).

Понятие пакет в пластинчатом теплообменнике соответствует понятию хода в кожухотрубном. Схему компоновки, при которой число каналов в пакетах для первой и второй рабочих сред одинаково, называют симметричной. При симметричной схеме компоновки одна рабочая среда проходит последовательно такое же число пакетов, как и другая.

Схему компоновки, при которой число каналов в пакетах для первой и второй рабочих сред неодинаково, называют несимметричной. Для поддержания приблизительного равенства скоростей рабочих сред в каналах при несимметричной схеме компоновки необходимо, чтобы отношение расходов было обратно пропорционально отношению чисел каналов.

В практике проектирования пластинчатых теплообменников схему компоновки пластин удобно условно обозначать дробью. В числителе дроби - сумма цифр, которые показывают количество соединённых пакетов по тракту горячей (охлаждаемой) рабочей среды. Значение каждой из цифр — количество параллельных межпластинных каналов в соответствующем по расположению на схеме (или по ходу движения рабочей среды) пакете. В знаменателе дроби - сумма цифр, обозначающих число пакетов и каналов в них по тракту движения холодной (нагреваемой) рабочей среды.

Обозначения такого вида называются формулами компоновки пластин. Для схемы, приведенной на рис. 19, формула компоновки пластин будет

выглядеть так:

72

Рис. 19. Схема пластинчатого ТОА

С 5 5 .

9

Приведенные компоновка соответствуют односекционным ТОА, в которых протекают только две рабочие среды. Если соединить на одной раме несколько односекционных пластинчатых теплообменников, то получим многосекционный (комбинированный) аппарат. Зоны комбинированного аппарата называют секциями. Характерным признаком такого аппарата является то, что каждая секция имеет штуцера, через которые подводится и отводится рабочая среда. Каждая секция, являясь простым пластинчатым теплообменником, подчиняется соответствующим для него закономерностям компоновки и работы.

Компоновочный расчет пластинчатого аппарата рекомендуется выполнять в следующей последовательности:

1. По заданным расходам рабочих сред и вычисленным или выбранным скоростям их движения в каналах определяют необходимую площадь поперечного сечения пакета, fп , м2:

где V - объемный расход рабочей среды, м3/с;

w- скорость данной рабочей среды, м/с.

2.Определяют число параллельных каналов, m, в пакете для каждой сре-

ды:

73

где f1 - площадь поперечного сечения одного межпластинного канала, м (из справочников по пластинчатым ТОА, например [18]).

Полученное значение округляют до целого.

3. Число пластин в пакете находят по соотношению:

В крайних пакетах, соприкасающихся с плитами, общее число пластин на одну больше (концевую):

4. Вычисляют поверхность теплопередачи одного пакета, Fn , м2:

5. Определяют число пакетов (ходов), X, в теплообменном аппарате:

где Fр - расчетная площадь поверхности аппарата, м2 (по результатам тепло-

вого расчета).

Если в результате величина получилась дробной, то ее округляют до целого числа. При этом расчётную площадь аппарата корректируют:

F'p XFn .

Полученную площадь принимают в качестве расчетной. 6. Общее количество пластин в аппарате, na :

где F1 - поверхность теплопередачи одной пластины, м2 (из [18]).

После компоновочного расчета следует проверить гидравлическое сопротивление спроектированного аппарата для каждого из однофазных теплоносителей.

74

3.7. Рекуперативные теплообменные аппараты периодического действия

Рекуперативные ТОА периодического действия широко применяются в различных отраслях промышленности. К таким аппаратам можно отнести в первую очередь водонагреватели-аккумуляторы, варочные котлы и реакционные аппараты.

Водонагреватели-аккумуляторы представляют собой сосуды большой емкости с паровым или водяным обогревом и применяются в системах горячего водоснабжения с периодическим расходом больших количеств воды. Вода в них нагревается в течение длительного периода (4-5 часов), а затем расходуется за короткий отрезок времени (20-30 минут). Если для таких целей использовать схемы с ТОА непрерывного действия, то пиковый расход тепла в них был бы в 6-10 раз больше среднечасового расхода тепла в водонагревателяхаккумуляторах. Такое водоснабжение приводило бы к возникновению значительных нагрузок на котельной или ТЭЦ.

Варочные котлы, реакционные аппараты периодического действия (автоклавы, вулканизаторы, запарники, конверторы и т.д.) широко применяются в химической, пищевой и других отраслях промышленности.

В варочных и реакционных аппаратах обрабатываемые материалы нагреваются до определенной температуры и/или содержатся в течение некоторого времени при этой температуре. За определенный промежуток времени (время цикла) в материале происходят требуемые изменения, после чего аппарат опорожняется.

Для аппаратов периодического действия, так же как и в аппаратах непрерывного действия, различают тепловые конструктивный и поверочный расчеты.

Вид формул определяется наличием фазовых превращений в подвижном теплоносителе. Изменение температуры происходит при переменном тепловом режиме, поэтому для расчета неприменимы формулы, относящиеся к аппаратам непрерывного действия с установившимся тепловым режимом.

Тепловой расчет аппаратов периодического действия рассмотрим на примере двух наиболее распространенных случаев: водонагреватель-аккумулятор с паровым и водяным обогревом.

3.7.1. Расчет водонагревателя-аккумулятора с паровым обогревом

Нагревая в аппарате воду, пар конденсируется при температуре, соответствующей его давлению. Количество нагреваемой воды в аппарате G2 остается постоянным. Вследствие того, что температура конденсации пара постоянна во времени, а температура воды t2 увеличивается (рис.20), температурный напор

75

t tH t2 с течением времени уменьшается, что приводит к уменьшению расходов тепла Q и пара D.

Рис. 20. Схема и температурный график водонагревателя-аккумулятора с паровым обогревом

Основным уравнением для расчета является следующая зависимость:

где k F - удельная теплопроизводительность аппарата;- время цикла, с;

c2 - теплоемкость неподвижного ТН, Дж(кг∙К).

Коэффициент теплопередачи kрассчитывается по формулам (9), (10) в которых для рассматриваемого на рис. 20 случая 1 - коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенке, 2 - коэффициент теплоотдачи от стенки к воде при естественной конвекции воды в аппарате.

При расчете коэффициента теплоотдачи 2 для нахождения теплофизи-

ческих свойств необходимо знать определяющую температуру, t2 - среднюю за время . Ее можно определить из уравнения:

76

tН t"2

При тепловом конструктивном расчете определяется удельная тепло-

производительность по формуле (111), находится коэффициент теплопередачи и рассчитывается площадь поверхности теплообмена ТОА, F, м2:

При поверочном расчете водонагревателя-аккумулятора с паровым обогревом определяется либо конечная температура t"2 за время цикла , либо время , за которое вода нагреется до температуры t"2 . При этом каждую из перечисленных величин можно определить только при заданной другой.

Формулы для определения этих величин получаются из формулы (111):

Зависимость расхода греющего пара D, кг/с, от времени выражается формулой:

hП hK

где hП , hK - соответственно энтальпии греющего пара и конденсата.

3.7.2. Расчет водонагревателя-аккумулятора с водяным обогревом

Особенностью работы такого аппарата является то обстоятельство, что при постоянных расходе G1 и температуре t'1 воды температура ее на выходе из аппарата t"1 по мере нагревания воды увеличивается. Это объясняется снижением во времени температурного напора между ТН и, соответственно, меньшим количеством передаваемого тепла.

77

Изменение температур греющей и нагреваемой воды в зависимости от времени изображено на рис. 21. Такой режим несколько усложняет расчет, поскольку необходимо учитывать две переменных во времени температуры t1 иt2

.

Рис. 21. Схема и температурный график водонагревателя-аккумулятора с водяным обогревом

Удельная теплопроизводительность аппарата в данном случае определяется как:

Тепловой конструктивный расчет ведется аналогично случаю с паро-

вым обогревом (п. 3.2.6).

Для определения теплофизических свойств теплоносителей необходимо знать средние за время цикла температуры, которые можно определить по следующим формулам:

78

где t"1НАЧ, t"1KOH - температура греющей воды на выходе из аппарата в начальный момент и в конце процесса.

При тепловом проверочном расчете, если задана поверхность нагрева аппарата, то конечную температуру нагреваемой воды t"2 в зависимости от времени нагрева можно найти из следующего соотношения:

Аналогично можно получить соотношение для определения времени нагрева до температурыt"2 :

79

4. РЕГЕНЕРАТИВНЫЕ ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ

Область применения рекуперативных ТОА сильно ограничена рабочим диапазоном температур конструкционных материалов. Для различных сортов стали, к примеру, это находится в диапазоне от – 50 до 350 . При необходимости работать с ТН при более высоких или более низких температурах следует использовать регенеративные ТОА.

Регенеративным ТОА называется устройство, в котором передача теплоты осуществляется с помощью теплоаккумулирующей массы, называемой насадкой. Насадка периодически и поочередно омывается потоками горячего и холодного теплоносителя. В течение первого периода (нагрев насадки) через ТОА пропускают горячий ТН и происходит нагрев насадки. В течение второго периода холодный ТН омывает насадку и нагревается за счет аккумулированной насадкой теплоты.

4.1. Конструкции регенеративных ТОА

Первыми конструкциями регенеративных ТОА были устройства с неподвижной насадкой. Они получили большое распространение в металлургической промышленности.

При производстве чугуна образуется большое количество доменного газа, представляющего собой горючий газ с невысокой удельной теплотой сгорания и большим количеством агрессивных и токсичных компонентов. При сжигании этих газов выделяется тепло, которое наиболее рационально использовать на месте получения, в частности для подогрева воздуха и горючего газа до температуры 800-1000 0С. Осуществить этот процесс в рекуператорах из металла невозможно вследствие их недостаточной жаростойкости.

В силу своей конструкции и особенности процессов теплообмена регенеративные ТОА являются, по сути, устройствами периодического действия. Для обеспечения непрерывности необходимо наличие минимум двух ТОА, один из которых работает на нагрев, другой на охлаждение.

На рис. 22 схематически изображен регенератор с неподвижной насад-

кой. В период времени, соответствующий изображенному положению перекидных шиберов 3 и 4, насадка 1 омывается горячим теплоносителем ТН1 до необходимой температуры в левой камере, происходит ее нагрев. В этот же момент времени насадка 2 правой камеры охлаждается теплоносителем ТН2. Через некоторое время шиберы поворачиваются, изменяют направление движения теплоносителей. И при этом уже происходит нагрев насадки правой камеры, тогда как левая камера охлаждается, отдавая тепло воздуху. В мартенов-

80