коэффициент запаса площади теплообмена

Видео:Расчет теплообменного аппаратаСкачать

Коэффициент запаса площади теплообмена

14. Расчёт поверхности теплопередачи F _р и определение запаса площади поверхности теплопередачи Δ (%) для вертикального и горизонтального конденсаторов

Это самый важный пункт нашего расчёта. Сейчас будет ясно, правильно мы выбрали аппарат в пункте 7 или же наш выбор оказался ошибочным.

Определяем расчётную площадь поверхности теплопередачи для вертикального и горизонтального расположений конденсатора

Сравниваем полученные значения с принятой в пункте 7 площадью поверхности теплообменника F _т . Находим запас площади теплопередачи Δ для вертикального и горизонтального аппаратов по формуле

Нормы технологического проектирования требуют выполнения условия

Это означает, что запас площади теплопередачи должен быть не меньше 10% и не больше 30%. Если это условие не выполняется, надо брать другой конденсатор, т.е. возвращаться в пункт 7 алгоритма.

Видео:Л8 - Поверхности теплообмена.Скачать

Определение запаса теплообменной поверхности и продолжительности межпромывочного периода пластинчатого водонагревателя для ГВС

Купленов Н.И. к.т.н., Мотовицкий С.В. аспирант
Тульский государственный университет

Благодаря своим достоинствам разборные пластинчатые водонагреватели (ПВН) активно вытесняют из отечественных систем теплоснабжения традиционные трубчатые теплообменники. Обеспечивая в несколько раз более высокий начальный коэффициент теплопередачи по сравнению с трубчатыми, эти теплообменники, однако гораздо «чувствительнее» к влиянию отложений накипи, термическое сопротивление которой более резко уменьшает теплопередачу [1,2,3].

При высоком содержании накипеобразующих солей и продуктов коррозии в воде, характерном для большинства регионов РФ, расчетный режим работы ПВН быстро нарушается, уменьшение коэффициента теплопередачи компенсируется повышением температуры греющего теплоносителя или его расхода. На практике это не всегда возможно, поэтому в подавляющем большинстве случаев необходима промывка.

Для компенсации постепенного уменьшения коэффициента теплопередачи необходим запас поверхности теплообмена ∆F.

Отечественная практика заказов ПВН по опросным листам заимствована из зарубежной без учета собственного опыта т.е. запас теплообменной поверхности или отсутствует или составляет 2-10% от расчетной чистой поверхности F₀.

Из опыта эксплуатации скоростных водонагревателей известно, что вследствие низкого качества противонакипной обработки водопроводной воды коэффициент теплопередачи уменьшается достаточно быстро. Так, по данным [4] при среднем качестве воды в ЦТП г. Москвы за 4 месяца эксплуатации он уменьшился на 45-50%. Из этого следует, что при неизменных начальных температурах теплоносителей требуемая температура нагрева воды может быть обеспечена лишь при 100% — ном запасе по сравнению с расчетной величиной теплообменной поверхности.

Недостаточная величина запаса ∆F обусловит короткий межпромывочный период и необходимость частой промывки водонагревателя; завышенная величина ∆F уменьшит количество промывок, но одновременно возрастут первоначальные затраты на ПВН.

Известно, что стоимость пластинчатых водонагревателей составляет основную долю затрат на оборудование теплового пункта, в то же время и затраты на химическую промывку, как показывает опыт [1], тоже значительны. Поэтому экономически оправдано определение поверхности теплообмена с учетом фактической интенсивности накипеобразования и необходимости ее регулярной промывки.

Основа методики такого определения заключается в обеспечении минимума годовых затрат на амортизацию запаса поверхности теплообмена ∆F и затрат на регулярную промывку водонагревателя; это условие выполняется равенством затрат

(1а)

где — коэффициент амортизации ПВН, %/100; , — стоимость 1м 2 теплообменной поверхности и затрат на промывку, руб./м 2 ; — расчетная поверхность теплообмена при отсутствии накипи, м 2 ; , — продолжительность межпромывочного периода и годовой эксплуатации ПВН, сут.

При заданных начальных температурах и расходах теплоносителей, требуемый коэффициент эффективности нагрева воды при уменьшении коэффициента теплопередачи от образующейся накипи будет обеспечиваться выполнением условия

(2)

где , — коэффициенты теплопередачи при отсутствии накипи и при ее появлении.

Термическое сопротивление теплопередаче

(3)

где , — термическое сопротивление теплопередачи при чистой поверхности и термическое сопротивление слоя накипи.

После подстановки (3) в уравнение (2) получим

(4)

(5)

Подстановкой (5) в уравнение (1а) получим

(6)

Интенсивность накипеобразования определяется качеством воды, температурным и гидравлическим режимами работы ПВН. В конце межпромывочного периода сопротивление слоя накипи толщиной в соответствии с принятой математической моделью [2] может быть рассчитано по уравнению:

(7)

где , — скорости образования и смыва накипи; — коэффициент теплопроводности накипи.

По литературным данным и выполненным исследованиям

(8)

(9)

где , — экспериментальные константы, — концентрация накипеобразующих солей в воде, кг/м 3 ; — касательное напряжение на поверхности накипи, Па; — температура воды, ˚С.

Термическое сопротивление удобно выразить в виде

(10)

где — соотношение скоростей нагреваемого «холодного» и греющего теплоносителей; — скорость холодного теплоносителя; — комплекс величин, характеризующих теплофизические характеристики теплоносителя и конструктивные особенности пластины ПВН; — термическое сопротивление стенки пластины.

Уравнение (6) после подстановки в него (7) и (10) в своей правой и левой части содержит одну неизвестную величину — продолжительность межпромывочного периода — и позволяет при заданных исходных данных определить ее целесообразное значение.

Основными экономическими факторами, определяющими величину , является стоимость 1м 2 теплообменной поверхности , и затраты на промывку , руб./м 2 .

На рис.1 приведены результаты расчетов экономически целесообразной продолжительности межпромывочного периода при скорости нагреваемого теплоносителя ω_х = 0,4 м/с в зависимости от определяющих величин.

Рис.1 Зависимость экономически целесообразных относительной величины запаса теплообменной поверхности ∆F/F₀ и продолжительности межпромывочного периода τ_мпр пластинчатого водонагревателя для горячего водоснабжения

1)Расчет производился при ω_х = 0,4 м/с для пластин типа М10-BFG.

С=0,00357 кг/м 3 ; а_м=0,19; λ_н=1,05 Вт/(м·˚С); =12,7·10 -10 ; А=13374.

С повышением удельной стоимости промывки теплообменной поверхности экономически целесообразный межпромывочный период увеличивается, и приведенные зависимости позволяют получить количественную оценку продолжительности этого периода.

С другой стороны, при высокой стоимости теплообменника, что имеет место при уменьшении площади единичной пластины, величина экономически целесообразного запаса теплообменной поверхности уменьшается, конкретные величины определяющих факторов и зависимых от них величин приведены на графиках. Из этих данных следует, в частности, что для обеспечения требуемого температурного режима горячего водоснабжения даже при умеренной жесткости водопроводной воды и ежемесячной промывке запас теплообменной поверхности должен быть не менее 60% по сравнению с ее величиной при безнакипном режиме работы.

Заметим, что сопутствующее образованию накипи возрастание гидравлического сопротивления ПВН при экономически целесообразных продолжительностях межпромывочного периода несущественно, поскольку в среднем проходное сечение межпластинчатых каналов уменьшается на 4-8%.

1. Жаднов О.В. «Пластинчатые теплообменники — дело тонкое»// «Новости теплоснабжения» -2005.,-N 3.-c.39-53.

2. Чернышев Д.В. «Прогнозирование накипеобразования в пластинчатых водонагревателях для повышения надежности их работы» Дисс. к.т.н.05.23.03.- Тула, 2002. — 199с.

3. Бажан П.И., Каневец Г.Е., Селиверстов В.М. Справочник по теплообменным аппаратам. -М.: Машиностроение, 1989.

4. Чистяков Н.Н. и др. Повышение эффективности работы систем горячего водоснабжения. М., Стройиздат, 1988.

Видео:❄️Семинар 3. Расчет и проектирование пластинчато-ребристого теплообменного аппаратаСкачать

Методика расчёта кожухотрубчатого теплообменника

Рассчитать кожухотрубчатый теплообменник – значит определить необходимую поверхность теплообменника и подобрать теплообменник по ГОСТу.

Математическая модель расчёта теплообменника представлена двумя уравнениями: основное уравнение теплопередачи (1) и уравнение теплового баланса (2).

Q – тепловой поток, кДж/с

Q₁ – тепло отдаваемое более нагретым телом, Вт

Q₂ – тепло воспринимаемое менее нагретым телом, Вт

К – коэффициент теплопередачи теплоносителем, Вт/м 2. град

F – Поверхность теплообменника, м 2

Δ t_ср – средняя разность температур между теплоносителем ( о С, К)

Q_пот – потери теплового потока, Вт

(м 2 )

Для определения F нужно найти Δ t_ср, Q и К.

В контрольной работе по расчёту теплообменника студентам-заочникам предложено 2 варианта задач по расчёту теплообменника:

Задачи 11-15 – в межтрубном пространстве теплообменника конденсируются органически пары (теплоноситель I), в трубном пространстве циркулирует охлаждающая вода (теплоноситель II).

Задачи 16-20 – в межтрубном пространстве конденсируется водяной пар, в трубном пространстве нагревается органическая жидкость.

1) Δt_ср — cредняя разность температур теплоносителей определяется в зависимости от характера изменения температуры теплоносителя вдоль поверхности теплообменника.

Исходя из условий задачи 1 теплоноситель конденсируется. Изменение агрегатного состояния происходит при постоянной температуре:

Задачи 11-15 – t_конд= t_кип жидкости (см табл. 1)

Задачи 16-20 – t_конд в зависимости от давления водяного пара (см табл. 9)

Второй теплоноситель нагревается от t_2н=10 о С до t_2к.

В первом варианте задач (11-15) t_2к = t_конд — Δt_к, Δt_к =15÷20 о С. (по условию задачи)

Во втором варианте (16-20) t_2к = t_кип органической жидкости (см табл. 1)

Строим график изменения температур:

Рис – Изменение температуры теплоносителя вдоль поверхности теплообменника.

Если агрегатное состояние одного из теплоносителей меняется, направлени6е движения теплоносителей не играет роли при определении средней разности температур

, если

, с достаточной точностью

Определяем среднюю температуру II теплоносителя

2) Тепловой поток Q определяется из уравнения теплового баланса:

Q₁ – тепло выделяемое при конденсации паров. (Вт)

G₁ – расход паров (кг/с)

r₁ – удельная теплота конденсации пара (Дж/кг)

Q₂ — тепло, воспринимаемое жидким теплоносителем (Вт)

G₂ – расход жидкости (кг/с)

с₂ – средняя удельная теплоёмкость жидкости, определяется по средней температуре жидкости (Дж/кг град)

t_2н, t_2к – температура II теплоносителя на входе и выходе из теплообменника ( о С)

Тогда уравнение теплового баланса запишется

3) Коэффициент теплопередачи (К) зависит от коэффициентов теплоотдачи.

Теплопередача – процесс переноса теплоты от ядра потока более нагретого теплоносителя к ядру потока менее нагретого через стенку. Это сложный процесс, он состоит из 3 этапов:

а) процесс теплоотдачи из ядра потока теплоносителя I к наружной стенке трубки (конвекция), (1)

б) процесс переноса теплоты через стенку (теплопроводность), (2)

в) процесс переноса теплоты от наружной стенки трубки в ядро потока II теплоносителя (теплоотдача или конвекция) (3)

Это описывается уравнениями:

Если стенки трубки покрыты загрязнениям или накипью, то

(2),
где Σr – суммарное термическое сопротивление загрязнения самой стенки

λ – теплопроводность материала стенки

(3),

где α₁ и α₂ – коэффициенты теплоотдачи со стороны 1 и 2 теплоносителей (Вт/м 2 . К)

Решая систему из 3-х уравнений (1), (2), (3) получим:

Вт/м 2. град

Значит, чтобы определить коэффициент теплопередачи (К) нужно сначала рассчитать коэффициенты теплоотдачи α₁ иα₂и сумму термических сопротивлений Σr. Чтобы определить коэффициент теплоотдачи нужно ответить на 2 вопроса:

а) Меняет или не меняет агрегатное состояние теплоноситель,

б) Если теплоноситель не меняет агрегатного состояния, то каков тогда режим движения теплоносителя.

В задачах 11-20 теплоноситель меняет агрегатное состояние (конденсируется), поэтому α₁=α_конд

Второй теплоноситель не меняет агрегатного состояния, значит нужно определить режим движения теплоносителя.

Режим движения теплоносителя определяется числовым значением критерия Рейнольдса:

ω – скорость движения теплоносителя (м/с)

— коэффициент динамической вязкости (Па . с)

— плотность второго теплоносителя, кг/м 3

l — определяющий размер, в данном случае l=d_вн, (м).

Скорость движения II теплоносителя (ω) нам неизвестна, поэтому используем вариант расчёта, в котором делается предварительный выбор теплообменника по ГОСТу, а дальнейшими расчётами он проверяется.

Задаёмся критерием Рейнольдса (Re≥10000). Пусть Re=10000 (турбулентный режим), тогда

По ГОСТу существуют теплообменники с трубками 20×2 и 25×2, выбираем 25х2, где 25 мм – наружный диаметр трубки, 2 мм – толщина стенки трубки, внутренний диаметр d_вн = 21 мм = 0,021 м. Предварительный выбор теплообменника проводится по числу труб в одном ходу и ориентировочной поверхности теплообменника.

Число труб в одном ходу теплообменника определяется из уравнения расхода для II теплоносителя:

где n – число труб в одном ходу,

S_тр – поперечное сечение одной трубки, м 2 ,

V₂ – объёмный расход II теплоносителя, м 3 /с.

Заменив объёмный расход массовым мы получим:

Ориентировочное значение поверхности теплообменника определяем выбрав ориентировочное значение коэффициента теплопередачи в зависимости от условий теплообменника (см. табл. 5).

В задачах 11-15 тепло передаётся от насыщенных органических паров к воде (К_ор=300-800 Вт/м 2. К)

В задачах 16-20 тепло передаётся от водяного пара к органической жидкости (К_ор=120-340 Вт/м 2. К).

Зная n_p и F_op предварительно выбирают теплообменник по таблице 4 (n 10000 (турбулентный),

где , , — теплоёмкость, коэффициент динамической вязкости, теплопроводность теплоносителя II при температурах t_ср2

— теплопроводность 1 теплоносителя, (Вт/м . град)

d_нар – наружный диаметр трубок (м),

n_общ – общее число трубок в теплообменнике.

В задачах 16-20 конденсируется водяной пар:

где и — поправочные коэффициенты; B_t – коэффициент, зависящий от температуры конденсации пара.

Суммарное термическое сопротивление Σr определяется в зависимости от термических сопротивлений загрязнений и самой стенки

r₁ и r₂ – термические сопротивления загрязнённой стенки со стороны пара и жидкости (табл. 8)

δ – толщина стенки трубки = 0,002 м

λ – коэффициент теплопроводности стенки. Если стенка стальная, то λ=46,5 Вт/м . град

Зная α₁, α₂ и Σr определяем коэффициент теплопроводности:

4) Теперь мы можем определить поверхность теплообменника

(м 2 )

Рассчитанную поверхность сравнивают с табличной, которую мы получили при предварительном выборе теплообменника F_Т.

Определяем запас поверхности теплообменника

Если Δ > 30%, то мы выбираем другой теплообменник и повторяем расчёты.

Выбор конструкции кожухотрубного теплообменника.

При выборе теплообменника по ГОСТу необходимо определить не только поверхность теплообмена и ходовость, но и выбрать конструкцию теплообменника.

Для этого необходимо найти разность температур между кожухом и трубками.

где t_кож – температура кожуха, t_тр – температура трубки

t_кож предполагается равной температуре теплоносителя в межтрубном пространстве t_мтр

где t_ст1 – температура наружной стенки трубки, t_ст2 – температура внутренней стенки трубки.

Значит, наша задача – определить температуру стенок трубки.

Для этого используют метод итераций (метод последовательных приближений)

Выразим три этапа передачи тепла через удельный тепловой поток – q:

(1)

(2)

(3),

где Q – постоянный тепловой поток, поэтому

Задаёмся температурой наружной стенкой трубки дважды – t_ст1, t`_ст1.

Вычисляем q₁ и q`<sub>1</sub> по уравнению (1), t`_cт2 по уравнению (2), принимая q₁=q₂.

и q₃ по уравнению (3), уточнив коэффициент теплоотдачи α₂

,

где — критерий Прандтля для II теплоносителя при температуре t_ст2.

В результате получаем таблицу

По данным таблицы строим график зависимости q₁=f(t_cт1), q₃=f(t_ст2)

Точка пересечения соответствует условию q₁=q₂=q₃=q_ист

Находим t_{ст1(ист)}, t_{ст2(ист)} и q_ист по графику.

Определив Δt можно выбрать конструкцию теплообменника:

Δt 50 – теплообменник полужёсткой конструкции (тип ТК)

(см. конструкции кожхотрубчатых теплообменников)

ПРИМЕР РАСЧЁТА задач 11-15

Рассчитать вертикальный кожухотрубный теплообменник для конденсации 7800 кг/ч насыщенного пара бензола под атмосферным давле­нием. Жидкий бензол отводится из конденсатора при температуре конденсации. Охлаждающая вода, проходящая по трубам, нагревается от 10 до 60 о С (t_конд-20).

1) Определяем среднюю разность температур Δt_ср

Температура конденсации бензола под атмосферным давле­нием 80,2 о С (табл. 1). Температурная схема конденсатора:

80,2 80,2

10 60

Так как Δt_н/ Δt_к > 2, то средняя разность температур:

Средняя температура охлаждающей воды:

2) Тепловая нагрузка (расход передаваемого тепла):

Q=G₁r₁=(7800/3600) . 393,6 . 10 3. =848725,7 Вт

где r₁ = 393,6 . 10 3 Дж/кг — теплота конденсации бензола при 80 о С (табл. 2)

Расход охлаждающей воды

кг/с

Дата добавления: 2015-06-17 ; просмотров: 20595 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

💥 Видео

Расчет и выбор теплообменникаСкачать

Как посчитать теплообменник лучше любого проектировщикаСкачать

Вебинар на тему: "Общий обзор пластинчатых теплообменников производства ГК "Теплосила".Скачать

Вебинар на тему: "Подбор теплообменников в расчетной программе ООО "Завод Теплосила".Скачать

Физические основы интенсификации теплообмена в аппаратахСкачать

Расчет кожухотрубного теплообменникаСкачать

Мощность котла и емкость системы отопления.Скачать

Применение интенсификаторов теплообмена Hitran на примере разработки нового АВО мазута.Скачать

Простой расчет теплопотерь. Как оценить потребность в отоплении? / Длинная версия / Глеб ГринСкачать

Комплексный подход к применению пластинчатых теплообменников в системах снабжения теплом.Скачать

❄️Семинар 2. Теоретический расчет и оптимизация теплообменных аппаратов криогенной техникиСкачать

Тепловые балансы и средняя разность температурСкачать

Л2 - Конвективный теплообмен.Скачать

Простой РАСЧЕТ МОЩНОСТИ РАДИАТОРА отопленияСкачать

Сколько секций радиаторов на квадратный метр ставить в комнате (квартире)Скачать

Потери в теплообменникахСкачать

❄️Семинар 13. Расчет водяного абсорбера для очистки рабочего газа от двуокиси углеродаСкачать