Тепловой и гидравлический расчет кожухотрубных теплообменников. Учебное пособие
.pdf
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ПЕТРА ВЕЛИКОГО
Институт энергетики
Высшаяшколаатомнойитепловойэнергетики
С. З. Сапожников В. Ю. Митяков
ТЕПЛОВОЙ И ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ
РАСЧЕТ КОЖУХОТРУБНЫХ ТЕПЛООБМЕННИКОВ
Учебное пособие
Санкт-Петербург
2024
ББК 31.368я73 С19
Р е ц е н з е н т ы:
Доктор технических наук, профессор ВШЭМ СПбПУ А. А. Дроздов Кандидат технических наук, проректор по работе с филиалами ПГУПС
М. А. Греков
Сапожников С. З. Тепловой и гидравлический расчет кожухотрубных тепло обменников : учеб. пособие / С. З. Сапожников, В. Ю. Митяков. – СПбПУ : ПОЛИТЕХ-ПРЕСС,2024.–94с.
Соответствует содержанию дисциплины «Тепломассообмен» по направлениям подготовки 13.03.01 «Теплоэнергетика и теплотехника», 13.03.03 «Энергетическое машиностроение», 14.03.01 «Ядерная энергетика и теплофизика» и 14.05.02 «Атомные станции: проектирование, эксплуатация и инжиниринг».
Проектирование теплообменного оборудования является сложной и комплексной задачей. При разработке и создании теплообменника следует учитывать энергетическую эффективность, экологичность, компактность, мобильность, ресурс и множество других параметров. Цель учебного пособия – представить методику теплового и гидравлического расчета теплообменников различных типов.
Предназначено для студентов, обучающихся на 2–6 курсах Института энергетики Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого. Также может представлять интерес для аспирантов и специалистов, решающих задачи теплоснабжения.
Табл. 8. Ил. 32. Библиогр.: 19 назв.
Печатается по решению Совета по издательской деятельности Ученого совета
Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого.
ISBN 978-5-7422-8809-1 |
© Сапожников С. З., Митяков В. Ю., 2024 |
© Санкт-Петербургский политехнический |
|
doi:10.18720/SPBPU/2/id24-411 |
университет Петра Великого, 2024 |
Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation
PETER THE GREAT ST. PETERSBURG
POLYTECHNIC UNIVERSITY
Institute of Energy
GraduateSchoolofNuclearandHeatPowerEngineering
S. Z. Sapozhnikov V. Yu. Mityakov
THERMAL AND HYDRAULIC
CALCULATIONS
OF SHELL-AND-TUBE
HEAT EXCHANGERS
Training manual
Saint-Petersburg
2024
R e v i e w e r s:
Doctor of Engineering, professor at the Graduate School of Power Engineering of SPbPU A. A. Drozdov
Candidate (PhD) of Engineering, Vice-Rector for work with branches
of Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University M. A. Grekov
Sapozhnikov S. Z. Thermal and hydraulic calculation of shell-and-tube heat exchangers : training manual / S. Z. Sapozhnikov, V. Yu. Mityakov. – SPbPU : POLYTECH-PRESS, 2024. – 94 p.
The training manual corresponds to the content of the subject “Heat and mass transfer” in the majors 13.03.01 “Heat power engineering”, 13.03.03 “Power machine engineering”, 14.03.01 “Nuclear power engineering and thermophysics”, and 14.05.02 “Nuclear power plants: design, operation, and engineering”.
Design of heat exchange equipment is a complex and comprehensive task. Energy efficiency, environmental friendliness, compactness, mobility, resource, and many other parameters should be taken into consideration when designing and creating a heat exchanger. The purpose of the training manual is to present the methodology of thermal and hydraulic calculations for heat exchangers of various types.
It is intended for 2nd-6th-year students of the Institute of Energy at Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University. It may also be of interest to postgraduate students and experts who solve problems of heat supply.
Tables: 8. Figures: 32. References: 19 titles.
Printed by decision
of the Council on Publishing Activities of the Academic Board of Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University.
|
© Sapozhnikov S. Z., |
|
Mitiakov V. Iu., 2024 |
ISBN 978-5-7422-8809-1 |
© Peter the Great St. Petersburg |
doi:10.18720/SPBPU/2/id24-411 |
Polytechnic University, 2024 |
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
Список основных обозначений ............................................................... |
6 |
1. Теплообменники, их тепловой и гидравлический расчет......................... |
7 |
1.1. Типы и особенности теплообменников......................................... |
7 |
1.2. Конструкции рекуперативных теплообменников ........................ |
9 |
1.3. Тепловой расчет............................................................................. |
11 |
1.4. Гидравлический расчет................................................................. |
24 |
2. Секционный теплообменник типа «труба в трубе»................................ |
26 |
2.1. Схема и компоновочный расчет................................................... |
26 |
2.2. Исходные данные ......................................................................... |
31 |
2.3. Тепловой расчет............................................................................ |
31 |
2.4. Гидравлический расчет ................................................................ |
40 |
2.5. Результаты расчета ....................................................................... |
43 |
3. Кожухотрубный водоводяной теплообменник ..................................... |
45 |
3.1. Схема и компоновочный расчет................................................... |
45 |
3.2. Исходные данные ......................................................................... |
47 |
3.3. Тепловой расчет............................................................................ |
47 |
3.4. Гидравлический расчет ................................................................ |
53 |
3.5. Результаты расчета ....................................................................... |
58 |
4. Пароводяной подогреватель ................................................................. |
60 |
4.1. Схема и компоновка теплообменника ........................................ |
60 |
4.2. Исходные данные ......................................................................... |
61 |
4.3. Тепловой расчет ........................................................................... |
62 |
4.4. Гидравлический расчет ................................................................ |
68 |
4.5. Результаты расчета ....................................................................... |
69 |
Библиографический список................................................................... |
71 |
Приложения............................................................................................ |
73 |
Приложение 1. Физические свойства веществ и материалов. |
|
Компоновка трубных пучков ................................................................. |
73 |
Приложение 2. Расчет коэффициентов теплоотдачи ............................. |
84 |
Приложение 3. Расчет потерь давления при движении |
|
теплоносителя......................................................................................... |
88 |
5
СПИСОК ОСНОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
cp – удельная изобарная теплоемкость, Дж/(кг ∙ К) D – диаметр кожуха (внутренний), м
F – площадь поверхности теплообмена, м2 f – площадь поперечного сечения, м2
G – массовый расход, кг/с
h – удельная энтальпия, Дж/кг
k – коэффициент теплопередачи, Вт/(м2 ∙ К) l – длина трубы, м
N – электрическая мощность, Вт n – количество труб в одном ходе p – давление, Па
Q – тепловая мощность, тепловой поток, тепловая нагрузка теплообменника, Вт
T – температура, °C
V – объемный расход, м3/с
w – скорость теплоносителя, м/c
α – коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2 ∙ К) ε – эффективность η – коэффициент полезного действия
λ – теплопроводность, Вт/(м ∙ К) μ – динамическая вязкость, Па ∙ с ν – кинематическая вязкость, м2/с
ξ – коэффициент гидравлического сопротивления
Индексы
ж – жидкая фаза п – паровая фаза
f – параметр, определенный при температуре свободного потока w – параметр, определенный при температуре стенки
1 – горячий теплоноситель
2 – холодный теплоноситель ' – входное сечение " – выходное сечение
6
1.ТЕПЛООБМЕННИКИ, ИХ ТЕПЛОВОЙ
ИГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ
1.1.Типы и особенности теплообменников
Теплообменники–устройствадляпередачитеплотыотгорячей среды к холодной среде. Используемые в теплообменниках среды называют теплоносителями.
Втехнике применяют большое количество теплообменников различных конструкций, типов и назначения. По принципу действия они бывают поверхностными и смесительными.
Вповерхностныхтеплообменниках(рис.1,а,б)теплоносителираз-
деленынепроницаемойстенкой,черезкоторуюпередаетсятеплота. Поверхностные теплообменники бывают двух основных типов.
а) |
б) |
|
в) |
2 |
1 |
|
1 |
1 |
|
|
|
|
||
Q |
|
Q |
|
Q |
|
|
|
|
|
2 |
|
0 < τ < τ1 |
|
1 + 2 |
|
|
Q |
2 |
|
|
|
|
|
τ2 > τ > τ1
Рис. 1. Видытеплообменников:а–рекуперативный;б–регенеративный; в –смесительный
7
Врекуперативных теплообменниках горячий теплоноситель 1 омывает промежуточную стенку одновременно с холодным теплоносителем 2 (см. рис. 1, а). Тепловой поток Q во времени не меняется.Рекуперативныетеплообменникиполучилинаибольшее распространение.
Врегенеративных теплообменниках одна и та же стенка или
насадка омывается в течение времени τ1 горячим теплоносителем 1, а затем в течение времени τ2 холодным теплоносителем 2 (см. рис.1,б).В«горячий»период(0<τ<τ1)тепловойпотокQ повышает энтальпию материала, из которого выполнена стенка или насадка;
в«холодный» период (τ1 <τ<τ2) энтальпия материала снижается, а холодныйтеплоноситель2нагревается.Такимобразом,врегенеративныхтеплообменникахнагревиохлаждениесдвинутывовремени. Регенеративныетеплообменникииспользуютвсистемахсолнечного отопления, в металлургии, химической промышленности и т. д.
Всмесительныхтеплообменникахпроисходитнепосредственный контакттеплоносителей1 и 2(рис.1,в).ТепловойпотокQ передаетсявнутритеплообменника,гдеотдельныеструи,каплиидругие макрообъемы теплоносителей вступают в теплообмен. Обычно смесительные теплообменники компактнее поверхностных, но областьихприменениязначительноу́же.Этосмесительныекраны горячего и холодного водоснабжения; в системах кондиционирования нередко к воздуху помещения «подмешивают» воздух окру-
1'
1" 2'
2"
Рис. 2. Схема рекуперативного теплообменника
жающей среды и пр.
Рассмотрим более подробно наиболее распространенные рекуперативные теплообменники. В общем виде такие теплообменникивыглядяттак,какпредставлено на рис. 2.
Здесь и далее полагаем, что индекс «1» относится к горячему теплоносителю, а индекс «2» – к холодному. Параметрытеплоносителейнавходевтеплообменникобозначиминдексом«'»,ана выходе из него – «"».
8
1.2.Конструкции рекуперативных теплообменников
Крекуперативным относятся
кожухотрубные,трубчатые,оребренные,пластинчатые,секционные, змеевиковые и спиральные теплообменники.
Кожухотрубные теплообмен-
ники (рис. 3) применяют для подогрева жидкости (паром или жидкостью)илидляконденсации пара.Вмежтрубномпространстве движется теплоноситель с меньшей плотностью или с бо́льшим расходом. Эти теплообменники могуткомпоноватьсявертикально или горизонтально. Для конденсаторов предпочтительна горизонтальная компоновка; в других случаях расположение теплообменника на его эффективность не влияет.
Секционныекожухотрубныете- плообменники (рис. 4) применяют для теплоносителей жидкость– жидкость.Ихвыполняютразборнымиилисварными;такиетеплообменники просты и дешевы, их легко комбинировать, обеспечиваяснятиенеобходимойтепловой нагрузки.
Трубчатые оребренные тепло обменники(рис.5)применяютдля подогрева или охлаждения воздухом или другим газом. Оребрение развивает поверхность
Рис. 3. Кожухотрубный теплообменник
Рис. 4. Секционный кожухотрубныйтеплообменник
Рис. 5. Трубчатый оребренный теплообменник
9
Рис. 6. Пластинчатый теплообменник для газообразных теплоносителей
Рис. 7. Пластинчатый теплообменник для жидких теплоносителей
теплообменаиувеличиваеткоэффициент теплопередачи.
Пластинчатые теплообменники
применяютдлятеплоносителейтипа газ–газилижидкость–жидкость.
На рис. 6 представлен теплообменник для газообразных теплоносителей, которые движутся взазорахмеждуплоскимипластинами; горячие и холодные каналы чередуются.
К числу компактных и эффективных относятся пластинчатые теплообменники для теплоносителей типа жидкость–жидкость
(рис. 7).
Теплоносителидвижутсяпротивотоком между соседними пластинами; существуют разборные и неразборные (паяные) пластинчатые теплообменники.
Кроме рассмотренных конструкций имеются и другие типы теплообменников.
Взмеевиковых теплообменниках
трубные пучки заменяет змеевик. Теплообменники такой конструкции свободны от перепадов температурных напряжений и обеспечивают значительную турбулизацию потоков,протекающихпозмеевику.
Вспиральных теплообменниках
теплоносители перемещаются по каналам между свернутыми в спиральпластинами,онипростыидешевы.
10