Конструкторський метод розрахунку теплообмінного обладнання (послідовність)

 

В задачу цього розрахунку входить визначення при номінальному навантаженні геометричних розмірів допоміжного теплообмінного обладнання.

На основі узагальнення досвіду проектування склалась така послідовність конструкторського розрахунку теплообмінних апаратів теплоенергетичних установок.

1. Уточнюють технологічну і теплову схеми в яких задіяне теплообмінне обладнання.

2. Визначаються із розмірами продувок, дренажів, проб і інших втрат і складають схеми теплових і матеріальних потоків.

Приклад:

Рис. 3.1. Вакуумна опріснювальна установка

 

При значних втратах тепла із продувками вирішують питання по використанню цих потоків тепла у якості ВЕР.

3. Складають тепловий баланс теплообмінного обладнання, після чого уточнюють теплове навантаження, витрати теплоносіїв, початкові і кінцеві їх температури.

Для рекуперативного ТА без зміни агрегатного стану обох теплоносіїв

Q = G₁ · с_p1 ·(t₁’ - t₁’’)· η = G₂ · с_p2 ·(t₂’’ - t₂’). (3.3)

Для парорідних підігрівників (конденсаторів):

Q = D₁ ·(h₁’ - h₁’’)· η = G₂ · с_p2 ·(t₂’’ - t₂’). (3.4)

Для одноступеневого випарника з продувкою:

Q = D₁ ·(h₁’ - h₁’’)· η = D₂ ·(h₂’’ - h₂’)+ G₂ · с_p2 ·(t₂’’ - t₂’). (3.5)

Величину G · с_p = С, Дж/с·к – називають водяним еквівалентом, який широко використовується при аналізі ефективності теплообмінного обладнання.

η =0,96÷0,98 – враховує теплові втрати у навколишнє середовище і залежить від рівня температури, розмірів теплообмінного обладнання, наявності та якості теплової ізоляції.

4. Вибір типу і конструкції теплообмінного обладнання та основних конструкційних матеріалів. Це дуже важливий пункт. Від того на скільки вдало він вирішений, буде залежати успіх подальшого проектування. Велике значення при вирішенні цього питання має: світовий досвід, досвід конструктора, навіть інтуїція. Для якісного вирішення цього питання конструктор повинен в якісній мірі бути художником тому, що тут не все підвладне логіці.

5. Вибір схеми руху теплоносіїв. Коли носії не змінюють агрегатного стану необхідно забезпечити протиток.

 

а) протиток б) багаторазова перехресна

схема із загальним

принципом протитоку

Рис. 3.2. Схеми руху теплоносіїв

 

Слід враховувати, що при зовнішньому омиванні пучка труб необхідно керуватись правилом:

Якщо відношення більше 58, то вигідніше поздовжній рух теплоносія, а якщо менше 58, то поперечний.

6. Визначення середньої різниці температур теплоносіїв. Для протиточної та прямоточної схеми використовують залежність

. (3.6)

а) б)

Рис. 3.3. Температурний напір у ТА

 

У кожному випадку для протитоку місце і визначається співвідношенням водяних еквівалентів.

7. На основі досвіду, або за довідковою літературою оцінюють значення та :

- повітря нагрів-охолодження – 1-50 Вт/(м²·К);

- перегріта пара нагрів-охолодження – 20-100 Вт/(м²·К);

- масло нагрів-охолодження – 200-1500 Вт/(м²·К);

- вода нагрів-охолодження – 500-10000 Вт/(м²·К).

8. З врахуванням забруднення поверхні визначають орієнтовне значення коефіцієнтів теплопередачі:

- для плоскої стінки

; (3.7)

- для циліндричної стінки

. (3.8)

де R – термічний опір забрудненої поверхні, (м²·К)/Вт.

При можна користуватись формулою (3.7), при цьому похибка не перевищує 4 %.

9. За орієнтовним k визначаємо ескізне (попереднє) значення поверхні теплообміну

. (3.9)

10. Визначаємо середні температури теплоносіїв. При цьому середню температуру теплоносія з меншим перепадом температур визначимо як середньоарифметичну

. (3.10)

Середню температуру другого теплоносія знайдемо таким чином

. (3.11)

11. За знайденими середніми температурами знаходимо значення густини ρ, а потім секундні об'єми теплоносіїв.

(3.12)

12. Вибираємо швидкості теплоносіїв. В кожухотрубному ТА тільки один із теплоносіїв може мати оптимальну швидкість (як правило у середині труб), а швидкість іншого теплоносія буде залежати від конструкції міжтрубного простору. На основі досвіду експлуатації:

- в’язкі рідини – ≤1 м/с;

- малов’язкі рідини, вода – 1-3 м/с;

- запилені гази – 6-10 м/с;

- чисті гази – 12-16 м/с;

- насичена пара – 30-50 м/с;

- перегріта пара – 50-75 м/с;

- пара при низьких тисках – 100-200 м/с.

Верхню межу швидкості теплоносіїв лімітує оптимальний гідравлічний опір апарату, а також ерозія матеріалу труб.

При поперечному омиванні латунних труб допустима швидкість:

, (3.13)

де v – питомий об’єм теплоносія.

При поздовжньому омиванні латунних труб, а також всередині труб

. (3.14)

Для сталевих труб ці швидкості можуть бути більш високими.

13. Визначають простір ТА (трубний чи міжтрубний) для кожного теплоносія. При цьому керуються наступним:

- теплоносій з нижчим α (для рідин) краще подавати у труби;

- рідина у трубний простір, газ у міжтрубний;

- забруднений теплоносій і агресивний – у труби;

- теплоносій з високим тиском і температурою бажано подавати у труби;

- якщо ТА призначений для охолодження речовини, то гарячий теплоносій бажано подати у міжтрубний простір.

14. Вибір діаметра труб, визначають їх довжину і число (кількість).

Менший діаметр – більш компактний ТА, але збільшується гідравлічний опір.

Поверхня теплообміну

F_вн=π·d_вн∙l₁∙n₁, (3.15)

де n₁ – кількість труб одноходового ТА;

l₁ – довжина труб одноходового ТА.

Площа одного ходу

S₁= . (3.16)

Кількість труб одного ходу

n₁= . (3.17)

Довжина труб одноходового ТА

l₁= . (3.18)

Робоча довжина труб у теплообмінному обладнанні може бути 2÷4 м, і рідко перевищує 5 м.

Якщо ми отримали значення l₁ > цих значень, то можемо вибрати для подальшої розробки 2-х, або більше ходовий ТА.

Парна кількість ходів – патрубки на 1 стороні, непарна кількість ходів – патрубки на різних кінцях ТА.

Кількість ходів вибирають 10, якщо за розрахунками отримано більше, то необхідно вибрати труби меншого діаметра, або зменшити швидкість теплоносія.

15. Вибирають спосіб кріплення і розміщення труб у трубній решітці (вибирають крок труб 1,3d труби). Для високотемпературних процесів та сильно текучих теплоносіїв (керосин, зріджені гази) віддають перевагу зварним або паяним варіантам кріплення труб.

При розбивці по сторонах шестикутниках, при їх кількості більше шести бажано заповнювати вільні сегменти (між корпусом та сторонами зовнішнього шестикутника).

16. Роблять ескіз теплообмінного обладнання, за кількостю ходів вибирають кришки ТА. Уточнюють кількість труб за ходами. Кришки можуть бути різних конструкцій з різною орієнтацією патрубків, див. рис. 3.4.

а) б)

в) г)

Рис. 3.4. Конструкції кришок ТА

17. Визначають внутрішній діаметр корпуса ТА

D=D^/+d_тр+2k, (3.19)

де D^/ – найбільший діаметр розміщення центрів труб;

d_тр – діаметр труб;

k – кільцевий зазор, k ≥6 мм.

18. Вибирають конструкцію та розміри міжтрубного простору

. (3.20)

Якщо необхідно, то вибирають тип і кількість перегородок у міжтрубному просторі.

19. Уточнення ескізу теплообмінного обладнання та його конструктивних розмірів.

20. За уточненим ескізов ТА визначають уточнені α₁, α₂ та К.

21. Визначають розрахункову поверхню теплообміну F_р. Якщо F_р=F_ес, або менше на 10-15%, то визначення основних розмірів ТА можна вважати закінченим. У протилежному разі необхідно вносити коригування (найпростіше це зробити збільшуючи довжину ТА).

22. Проводять гідравлічний розрахунок ТА. Порівнюють одержані гідравлічні втрати із допустимими (якщо такі є) та визначають потужність насосів для переміщення теплоносіїв

(3.21)

23. Вибір конструкційних матеріалів та проведення розрахунків на міцність елементів ТА:

- корпус;

- з’єднання;

- трубна решітка.

24. Виконують креслення ТА, складають специфікації, складають характеристики фланців (призначення, робочий тиск, прохідний переріз).

25. Проектують теплову ізоляцію.

26. Розробляють систему контролю та автоматичного регулювання.

27. Підбирають прилади, запірні та регулювальні пристрої, запобіжні клапани, сепаратори, конденсатовідвідники та інше допоміжне обладнання.

28. Проектують та підбирають площадки для обслуговування, сходи, підйомно-транспортні пристрої, спеціальні пристрої для безпечної експлуатації, протипожежне обладнання.

29. Проектують місцеве освітлення, кондиціювання повітря.