МЕТОДИЧЕСКОЕ УКАЗАНИЕ
к выполнению расчетно-графической работы
«Расчет рекуперативного (пластинчатого) теплообменного аппарата»
Направление 13.03.01 – Теплоэнергетика и теплотехника
Уфа 2015
Методическое указание разработано доцентом кафедры «Теплотехника и энергообеспечение предприятий» Юхиным Д.П.
Методическое указание одобрено и рекомендовано к печати кафедрой
«Теплотехника и энергообеспечение предприятий»
(протокол №от. 2015г.) и методической комиссией энергетического
факультета (протокол №от. 2015 г.).
ОГЛАВЛЕНИЕ
| ВВЕДЕНИЕ | |
| 1 Цель работы | |
| 2 Методические указания к выполнению задания | |
| 3 Общие сведения | |
| 4 Методика проектного расчета пластинчатого теплообменника. | |
| 5 Гидравлический расчет теплообменника | |
| Библиографический список | |
| Приложения |
ВВЕДЕНИЕ
Дисциплина «Теоретические основы теплотехники» относится к федеральному компоненту цикла дисциплин специализации. Ее изучение базируется на знании дисциплин естественно- научного цикла (высшая математика, физика, химия) и цикла общепрофессиональных дисциплин (гидравлика, прикладная механика). Дисциплина занимает одну из ведущих позиций в системе подготовки бакалавра по направлению «Теплоэнергетика».
Целью дисциплины является получение студентами глубоких теоретических знаний, необходимых для решения инженерных задач, связанных с теплоэнергетикой.
Методические указания к решению расчётно-графической работы составлены в соответствии с рабочей программой дисциплины.
Материалы составлены с учетом современных источников информации в в области энергоснабжения и теплотехники.
В состав методических указаний входят основные расчетные формулы, рекомендации по выбору справочных материалов.
Цель работы
Закрепление знаний студентов по курсу «Теоретические основы теплотехники» раздела «Теория тепломассообмена» и освоения методики расчета, изучения конструкции и принципа работы рекуперативных теплообменных аппаратов, в том числе - пластинчатых.
В процессе выполнения расчётно-графической работы студент должен приобрести практические навыки по расчету рекуперативных теплообменных аппаратов и формироваться как технический специалист.
Методические указания к выполнению задания
К выполнению задания необходимо приступить после изучения соответствующего материала дисциплины.
Данные для выполнения заданий выбираются из Приложения А согласно номеру зачетной книжки. При выполнении заданий необходимо соблюдать требования стандарта СТО 0493582-004-2010 (Самостоятельная работа студента. Оформление текста рукописи). Поясняющие чертежи, графики и расчетные схемы выполняются с учетом требований ЕСКД.
Общие сведения
Теплообменными аппаратами называются устройства, предназначенные для передачи тепловой энергии от одного теплоносителя к другому. Передача теплоты может осуществляться как при изменении агрегатного состояния теплоносителей, так и без фазовых превращений. В первом случае температура теплоносителя, меняющего агрегатное состояние остается практически постоянной. В остальных случаях, температуры теплоносителей меняют свое значение. В качестве теплоносителей в теплообменных аппаратах применяют текучие и подвижные среды (пары, газы, жидкости) в различном их сочетании. Количество теплоносителей в теплообменном аппарате не ограничено.
Теплообменное оборудование предназначено для уменьшения непроизводительных потерь тепла и сокращения расхода топлива во время производственного процесса, предварительного нагрева воздуха, подаваемого в топки при сжигании топлива, нагрева воды для хозяйственных нужд, а также для охлаждения уходящих дымовых газов и пара и др.
Конструкции теплообменных аппаратов можно разделить на три основных типа: рекуперативные, регенеративные и смесительные.
В рекуперативных теплообменных аппаратах передача теплоты от горячего теплоносителя к холодному осуществляется через разделяющую их стенку.
В регенеративных теплообменных аппаратах теплоотдающая поверхность является промежуточным теплоакуммулятором и поочередно омывается горячим и холодным теплоносителями.
В смесительных теплообменных аппаратах передача теплоты осуществляется за счет смешивания горячего и холодного теплоносителей.
Разновидностью смесительных теплообменных аппаратов является баробатажный теплообменник, в котором через жидкий теплоноситель прокачивается газообразный теплоноситель, таким образом, осуществляется теплообмен без смешивания теплоносителей.
В большинстве рекуперативных аппаратов осуществляется непрерывная передача тепла через стенку от теплоносителя к другому. Эти аппараты, как правило, являются аппаратами непрерывного действия. Рекуперативные аппараты, в которых производится периодический нагрев или охлаждение одного из теплоносителей, относят к аппаратам периодического действия.
Дополнительно рекуперативные теплообменные аппараты подразделяются по направлению движения теплоносителя:
1) Прямоточные – теплоносители движутся параллельно друг другу в одном направлении;
2) Противоточные – теплоносители движутся параллельно друг другу в противоположных направлениях;
3) С перекрестным движением теплоносителей;
4) С комбинированным (сложным) движением теплоносителей.
Регенеративные теплообменники в большинстве случаев являются аппаратами периодического действия; в них разные теплоносители поступают в различные периоды времени. Непрерывная работа осуществляется в таких аппаратах лишь в том случае, если они снабжены движущимися стенками или насадками, попеременно соприкасающимися с потоками разных теплоносителей и непрерывно переносящими тепло из одного потока в другой.
Смесительные теплообменные аппараты могут быть как непрерывного, так и периодического действия.
По констркутивному исполнению рекуперативные (часто и регенеративные) теплообменные аппараты различают на следующие виды:
-пластинчатые (сборные или паяные);
- кожухотрубчатые;
- трубчато-пластинчатые (комбинированные);
- трубчатые спиралевидные;
- змеевиковые;
- ламельные.
Следует отметить, что применяемые в теплообменных аппаратах пластины и трубы могут быть выполнены как гладкими, так и ребристыми (для увеличения теплоотдающей поверхности или дополнительной турбулизации потока с целью увеличения коэффициента теплоотдачи).
Смесительные теплообменники чаще выполнены в виде полостей с развитой насадкой для увеличения поверхности теплообмена и снижения скорости теплоносителей.
Наиболее широкое распространение получили кожухо-трубчатые и пластинчатые сборные теплообменные аппараты. Однако в большинстве случаях предпочтительнее использовать пластинчатые теплообменные аппараты. По сравнению с кожухотрубными коэффициент теплопередачи пластинчатых теплообменников значительно выше (в 3…5 раз) коэффициента кожухотрубных. Масса пластинчатых теплообменников меньше массы кожухотрубных в 3…10 раз в зависимости от их мощности. Подводящие трубы к пластинчатым теплообменникам можно присоединять с одной стороны. В пластинчатых теплообменниках проще производить внутренний осмотр. Также их преимуществом перед кожухотрубными является меньшая подверженность вибрации. Вальцовочные соединения в кожухотрубных теплообменниках теряют плотность даже от незначительных вибраций, что чревато перетеканием одной воды в другую, в зависимости от более высокого давления. Изменение мощности пластинчатого теплообменника происходит путем увеличения или уменьшения поверхности теплообмена, для этого достаточно просто изменить количество пластин в пакете.
Изготавливаются пластины теплообменников из тонколистовой стали. В аппарате может находиться как очень мало пластин (но обычно не меньше 7), так и огромное их количество. Температура носителя в пластине не может быть выше 150 0С, а давление – 10 кгс/см2. Количество пропускаемого теплоносителя за час может достигать 1 или 2000 м3. Площадь поверхности теплообмена у одного аппарата бывает разной и зависит от того, какое он будет иметь назначение (5…2100 м2).
В случае применения кожухотрубных теплообменников изменение мощности происходит значительно сложнее. Важным показателем является и то, что для пластинчатых теплообменников теплоизоляция не требуется, также нет необходимости производить их ремонт на протяжении долгого времени эксплуатации. Часто очищать теплообменники пластинчатые от отложений нет необходимости.
В зависимости от особенностей технологического процесса в пластинчатом теплообменном аппарате возможно организовать различные схемы движения теплоносителей (рисунок 1).
Рисунок 1 Схемы движения теплоносителей в пластинчатых теплообменных аппаратах: а) – одноходовой (вход вверху); б) – одноходовой (вход внизу); в) – двухходовой (вход и выход сверху); г) – двухходовой (вход и выход внизу); д) – трехходовой (вход вверху); е) – трехходовой вход внизу; ж) – четырехходовой (выпуск газа отсутствует); з) – четырехходовой (отсутствует слив теплоносителя); и), к) – пятиходовой (отсутствует слив и выпуск газа)
На практике для выбора теплообменного аппарата и его параметров необходимо осуществлять конструктивные расчеты (при проектировании) или же проверочный расчет на соответствие имеющегося теплообменника параметрам и режимам теплообмена.
Сопутствующий гидравлический расчет теплообменного аппарата требуется для определения перепадов давлений теплоносителей и соответственно для определения параметров перекачивающих устройств.
Мировой опыт применения пластинчатых аппаратов для различных целей показывает, что они в этом отношении являются лучшими как по эффективности теплообмена, так и по условиям эксплуатации.
Методика проектного расчета пластинчатого теплообменника
Проектный расчет пластинчатого теплообменника сводится к определению:
- величины теплового потока от одного теплоносителя к другому;
- расчетного коэффициента теплопередачи;
- вида и типоразмера пластинчатого теплообменника, опираясь на существующие конструкции;
- количество пластин;
- расчетный перепад давления теплоносителей.
При осуществлении расчета следует учитывать, что при одних и тех же заданных значениях теплового потока и температур теплоносителей могут быть спроектированы пластинчатые теплообменные аппараты с разным расчетным коэффициентом теплопередачи в силу существования большого количества конструкций пластин, принятых за аналог. Принятая за аналог пластина теплообменного аппарата в целом определяет размер общей теплообменной поверхности аппарата и величину его гидросопротивления.
Проектный расчет теплообменника, как правило, содержит тепловой, компоновочный и гидравлический расчеты, который в итоге подкрепляется расчетом на экономическую целесообразность разработки.
Согласно тепловому расчету по справочным данным определяют теплофизические свойства теплоносителей согласно их средней температуре
Средняя температура горячего теплоносителя 
в 0С определяется по зависимости
(1)
где 
- температура горячего теплоносителя на входе в теплообменник, 0С;
- температура горячего теплоносителя на выходе из аппарата, 0С;
Аналогично определяется теплофизические свойства холодного теплоносителя по средней температуре 
в 0С
(2)
К требуемым теплофизическим свойствам теплоносителей относятся: плотность, удельная массовая теплоемкость, коэффициент теплопроводности, коэффициент кинематической вязкости, коэффициент динамической вязкости, критерий Прандтля.
Согласно уравнению теплового баланса теплообменного аппарата, определяем тепловую нагрузку рассчитываемого теплообменника
(3)
где 
и 
- массовые расходы горячего и холодного теплоносителей, кг/с;
и 
- объемные расходы горячего и холодного теплоносителей, м3/ч;
и 
– удельные массовые теплоемкости горячего и холодного теплоносителей, Дж/(кг·К);
и 
- плотности горячего и холодного теплоносителей при температурах и соответственно, кг/м3
Тепловая нагрузка 
в Вт определится по первой части уравнения теплового баланса
(4)
Необходимый массовый расход воды в кг/с определяем по второй части уравнения теплового баланса
, (5)
Соответственно по массовому расходу холодного теплоносителя определяем объемный расход холодного теплоносителя, м3/с
Общая поверхность теплообмена 
в м2 определяется по уравнению теплопередачи
, (6)
где 
– коэффициент теплопередачи, Вт/(м2·К);
- среднелогарифмический температурный напор, 0С
В свою очередь среднелогарифмический температурный напор между горячим и холодным теплоносителем в 0С определяется по известной зависимости
, (7)
где 
- большая из разностей температур между температурами теплоносителей, С0;
- меньшая из разностей температур между температурами теплоносителей, С0
Большая из разностей температур для прямоточной схемы движения теплоносителей определяется как
, (8)
Меньшая из разностей температур для прямоточной схемы движения теплоносителей определяется как
, (9)
Для противоточной схемы движения теплоносителей меньшая и большая разности температур определяется сравнением разностей:
и 
, (10)
Коэффициент теплопередачи в 
, характеризующий интенсивность теплообмена между теплоносителями в теплообменнике определяется по зависимости
, (11)
где 
- коэффициент теплоотдачи от горячего теплоносителя к поверхности пластины, 
;
– коэффициент теплоотдачи от поверхности пластины к холодному теплоносителю, ;
- термическое сопротивление загрязняющего слоя на пластине со стороны горячего теплоносителя, 
;
- термическое сопротивление пластины, 
;
- термическое сопротивление загрязняющего слоя на пластине со стороны холодного теплоносителя, ;
, 
, 
- толщины соответственно загрязняющих слоев и пластины теплообменника, м;
, 
, 
– соответствующие коэффициенты теплопроводности указанных загрязняющих слоев и пластины теплообменника, 
Расчет коэффициентов теплоотдачи сопряжен с определением безразмерных комплексов и соответствующих им характеристических уравнений, позволяющих оптимальным путем определить недостающие параметры теплообмена по заданным характеристикам теплоносителей.
При движении теплоносителя в каналах пластинчатого теплообменника коэффициент теплоотдачи расчитывается:
- в случае турбулентного движения теплоносителя
, (12)
- в случае ламинарного движения теплоносителя
, (13)
где 
, 
и 
– коэффициенты, зависящие от режима движения потоков и типа пластин (Приложение Б)
– критерий Рейнольдса;
- критерий Прандтля (часто приводится в справочной литературе в готовом виде);
– удельная теплоемкость, 
;
- кинематическая вязкость, м2/с;
– плотность теплоносителя при средней температуре, кг/м3;
– коэффициент теплопроводности теплоносителя при средней температуре, ;
Режим движения теплоносителя определяется по величине критерия Рейнольдса:
1) 
- режим ламинарный;
2) 
- режим турбулентный.
Критерий Рейнольдса определяется по известной зависимости
, (14)
где 
- средняя скорость теплоносителя по сечению канала, м/с;
– динамическая вязкость теплоносителя при средней температуре, Па·с.
Следует задаться средней скоростью движения теплоносителя в межпластинном канале 
в м/с по зависимости
, (15)
По полученным значениям 
и 
определяются соответственно величины коэффициентов теплоотдачи и в для обоих теплоносителей по зависимости
, (16)
где - коэффициент теплопроводности теплоносителя при его средней температуре,
- эквивалентный диаметр канала (определяется по приложению В), м
Далее по формулам (11) и (6) определяем коэффициент теплопередачи и общую площадь теплообмена. Полученную площадь теплообмена следует округлить в сторону увеличения до ближайшего стандартного значения, кратного площади пластины. После корректировки следует определить истинную скорость теплоносителей с учетом количества межпластинных зазоров и скорректировать значения коэффициента теплопередачи. Корректировку скоростей и количества пластин проводят до тех пор, пока количество пластин в аппарате после корректировок не стабилизируется.
Гидравлический расчет
Сущность гидравлического расчета пластинчатого теплообменного аппарата сводится к определению гидравлических сопротивлений и потерь давления теплоносителей в аппарате 
в Па.
, (17)
где 
– суммарное сопротивление трения пластин, Па;
- сопротивление штуцеров, Па;
–суммарные потери давления, обусловленные ускорением потока в теплообменном аппарате, Па;
Гидравлические сопротивления пакетов пластин 
пластинчатого теплообменника определяются по выражению
, (18)
где – плотность теплоносителя при средней его температуре, кг/м3;
- приведенная длина пластины теплообменника, м;
– число параллельных каналов в пакете для каждой среды;
- скорость движения теплоносителя в каналах теплообменника (в межпластинном пространстве), м/с;
- коэффициент общего гидравлического сопротивления единицы относительной длины канала
Коэффициенты общего гидравлического сопротивления для обоих теплоносителей определяется по выражению
, (19)
где - критерий Рейнольдса для соответствующего теплоносителя
Гидравлическое сопротивление штуцеров в Па определяется по зависимости
, (20)
где 
– коэффициент гидравлического сопротивления штуцера;
- скорость теплоносителя в штуцере, м/с;
Скорость теплоносителя в штуцере определяется по зависимости
, (21)
где 
- объемный расход теплоносителя через теплообменный аппарат, м3/с;
- площадь поперечного сечения штуцера, м2
, (22)
где 
- начальная скорость движения теплоносителя (на входе в аппарат), м/с;
- конечная скорость движения теплоносителя (на выходе из аппарата), м/с;
- начальная плотность теплоносителя (на входе в аппарат), кг/м3;
- конечная плотность теплоносителя (на выходе из аппарата), кг/м3
Мощность, требуемая для подбора перекачивающего теплоноситель насоса 
в Вт определяется по зависимости
, (23)
где 
- коэффициент полезного действия перекачивающего устройства
Число параллельных каналов в пакете для каждого теплоносителя определяются по выражению
, (24)
где 
- площадь поперечного сечения пакета пластин, м2;
- площадь одного межпластинного канала, м2
Полученное значение округляют до целого числа.
Число пластин в пакете 
находят по выражению
, (25)
В крайних пакетах, соприкасающихся с плитами, общее число пластин на одну больше (концевую) согласно формуле
, (26)
Общая поверхность теплообмена одного пакета 
в м2 определяется по выражению
, (27)
где 
– площадь теплоотдающей поверхности одной пластины, м2
Требуемое число пакетов пластин в аппарате определяют
, (28)
Если число пакетов, получается величиной дробной, то ее необходимо округлить до ближайшего целого числа 
с целью корректировки фактической рабочей поверхности всего теплообменного аппарата 
в м2
, (29)
Общее количество пластин в теплообменном аппарате определяется по зависимости
, (30)
Библиографический список
1. Банных, О.П. Основные конструкции и тепловой расчет теплообменников [Текст]:учебное пособие / О.П. Банных – СПб НИУ ИТМО, 2012. – 42с.
2. Павлов К.Ф., Процессы и аппараты химической технологии [Текст] / К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А. Носков – М.: Химия, 1987. – 622 с.
3. Романков П.Г. Методы расчета процессов и аппаратов химической технологии (примеры и задачи): учеб. пособие для вузов / П.Г. Романков, В.Ф. Фролов, О.М. Флисюк. – 3-е изд., испр. – СПб.: ХИМИЗДАТ, 2009. – 496 с.
4. Рудобашта, С. П. «Теплотехника» [Текст]: учебник для студ. вузов, обучающихся по направлению «Агроинженерия»: допущено МСХ РФ / С. П.Рудобашта; Ассоциация «АГРООБРАЗОВАНИЕ». – М.: Колос, 2010. – 599 с.: ил.
Приложение А
Задание
Произвести проектный расчет пластинчатого теплообменника, согласно нижеприведенным данным:
1) Горячий теплоноситель –;
2) Холодный теплоноситель -;
3) Объемный расход горячего теплоносителя - 
м3/с;
4) Начальная температура горячего теплоносителя – 
0C;
5) Конечная температура горячего теплоносителя - 
0C;
6) Начальная температура холодного теплоносителя - 
0C;
7) Конечная температура холодного теплоносителя - 
0C;
8) Тип пластины теплообменного аппарата - (согласно приложению В);
9) взаимное течение теплоносителей -
Согласно полученному количеству пластин и характеристикам теплообменника, вычерчивается общий вид рассчитанного теплообменника с указаним сечения рабочей части.
Общий вид аналога вычерчиваемого теплообменника прикладывается к пояснительной записке.
Задание выдал «» 201 г.
Задание принял «» 201 г.
Величины в задании (Приложение А) определяют следующим образом:
1) Вид теплоносителей определяется по двум последним цифрам номера зачетной книжки: (предпоследняя цифра зачетки – «горячий теплоноситель», последняя цифра зачетки – «холодный теплоноситель») «0» - вода; «1» - этиловый спирт; «2» - ацетон; «3» - бензол; «4» - метиловый спирт; «5» - бутиловый спирт; «6» - жидкий аммиак; «7» - раствор хлористого натрия 11 %; «8» - раствор хлористого кальция 14,7 %; «9» - толуол.
2) Объемный расход горячего теплоносителя рамен сумме четырех последних цифр зачетной книжки, м3/ч
3) Начальная температура горячего теплоносителя равна «зеркальному отображению» двух последних цифр номера зачетной книжки.
4) Конечная температура горячего теплоносителя равна величине меньшей начальной температуры на 5 0С.
5) Начальная температура холодного теплоносителя равна 2 0С.
6) Конечная температура холодного теплоносителя равна 5 0С.
7) Тип пластины выбирается в зависимости по Приложению В в зависимости от того на какую цифру заканчивается номер зачетной книжки.
8) Взаимное течение теплоносителей определяется «четностью» суммы всех цифр номера зачетной книжки: сумма «четная» - прямоток; сумма «нечетная» - противоток.
9) При выборе исполнения теплообменника и его штуцеров необходимо руководствоваться кратности числа состоящего из двух последних цифр номера зачетной книжки:
-кратно «1» - теплообменник разборный, исполнение штуцеров I;
-кратно «2» - теплообменник полуразборный, исполнение штуцеров II;
-кратно «3» - теплообменник сварной, исполнение штуцеров III
