Пластинчатый теплообменник. 2

                                                                                                                                                                                                   

Содержание.

 

Введение……………………………………………………………………………………………..4

Исходные  данные……………………………………………………………………………………8                                                                               

Тепловой  расчет ………………………………………………………………….…………………9                                                                  

Конструктивный  расчет …………………………………………………….......…………………15                                                                   

Поверочный  расчет………………………………………………………...…….…………………16                                                                       

Гидравлический расчет……………...……………………………………...………………………18 

Механический  расчет……………………………………………………………………………….20                                                         

Расчет изоляции……………………………………………………………...…...…………………21                                                                                 

Заключение…………………………………………………………...……….......…………………22

Список используемой литературы……………………………………………....…………………23                                                 

Приложения……………………………………………………………………….…………………24            

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение.

 

Энергосбережение  означает переход к энергоэффективным  технологиям во всех отраслях народного  хозяйства, в том числе и в  теплоснабжении. Степень энергоэффективности систем теплоснабжения определяется с одной стороны источником тепла, а с другой − тепловыми пунктами приготовления воды на отопление и горячее водоснабжение, основным элементом которых является теплообменное оборудование. Передовой технологией в области организации передачи тепла является использование в качестве теплообменных аппаратов пластинчатых теплообменников. При выборе типа теплообменного аппарата для применения в системах теплоснабжения, предпочтение было отдано пластинчатым полностью разборным теплообменникам.

Пластинчатые  теплообменники.

Пластинчатые теплообменные аппараты (рекуператоры) предназначены для  передачи тепла от горячей рабочей  среды к холодной через теплопередающую  поверхность. Основные размеры и параметры наиболее распространенных в промышленности пластинчатых теплообменников определены ГОСТ 15518—83. Их изготовляют с поверхностью теплообмена от 2 до 600 м² в зависимости от типоразмера пластин; эти теплообменники используют при давлении до 1,6 МПа и температуре рабочих сред от —30 до +180° С для реализации теплообмена между жидкостями и парами (газами) в качестве холодильников, подогревателей и конденсаторов.

В зависимости от конструкции пластинчатые теплообменники разделяют на:

• разборные,
• неразборные (сварные)
• разборные со сдвоенными пластинами (полуразборные)

Поверхность теплообмена пластинчатых аппаратов представляет собой набор  тонких штампованных теплопередающих  пластин с гофрированной поверхностью и коллекторными отверстиями  для прохода рабочих сред. На рис.1 показана одна из наиболее распространенных конструкций пластин. Пластины штампуют из листовой стали толщиной 0,5—1,2 мм.

Толщина теплообменной пластины влияет на коэффициент теплопередачи. Чем тоньше пластина, тем проще передать через нее тепло, выше коэффициент теплопередачи, и для установки потребуется теплообменник с меньшим числом пластин (поверхностью теплообмена). С другой стороны, чем тоньше пластина, тем меньшее давление она может выдержать.

  Гофры пластин имеют в сечении профиль равнобедренного треугольника с вер- 
шинами, закругленными по радиусу. Гофры расположены под углом к продольной оси симметрии пластины и имеют излом по этой оси, образуя форму «елка» (тем самым равномерно распределяя поток воды по всей поверхности пластины). По контуру пластины расположен паз для уплотнительной прокладки. По углам пластины размешены коллекторные отверстия для прохода рабочих сред по образуемому коллектору вдоль пакета пластин и распределения их по межпластинным каналам.

 С позиций обеспечения прочности пластины конструируют так, чтобы обеспечивалась 
устойчивость к перепаду давления в каналах по обе стороны стенки, не происходил бы их изгиб и уменьшение проходного сечения каналов. В каналах аппарата, составленных из пластин, предусмотрены точки опоры гофр, что позволяет выдерживать в аппарате разность давлений по обе стороны пластины, а также повышенное внутреннее давление в каналах при сохранении герметичности.

Группа пластин, образующая систему  каналов, в которых рабочая среда  движется только в одном направлении, составляет пакет. Каждая пластина в  работающем аппарате омывается двумя  рабочими средами: с одной стороны  – охлаждаемой, а с другой –  нагреваемой; в результате между  средами происходит теплообмен. Среды, протекающие поперек гофров, турбулизуются, что способствует интенсификации теплообмена.

Рисунок 1. Теплопередающая пластина для  разборного теплообменника

 

 

 

При выборе между пластинчатыми разборными или неразборными теплообменниками предпочтение было отдано полностью  разборным теплообменникам по следующим  причинам:

• разборные теплообменники поддаются механической чистке;
• в случае ошибки в расчетах или изменении присоединительной нагрузки поверхность теплообмена у разборных теплообменников можно легко изменить, добавляя или убирая определенное количество теплообменных пластин.

Разборные теплообменники устанавливают  на консольной раме (исполнение 1), на двухопорной  раме (исполнение 2), на трехопорной  раме или раме с неподвижной опорой в середине рамы (исполнение 3).

Разборный пластинчатый теплообменник  на двухопорной раме (исполнение 2) показан  на рис. 2. Аппарат состоит из ряда теплообменных пластин 4, размещенных на верхней и нижней горизонтальных штангах 3. Концы штанг закреплены в неподвижной плите 2 и на стойке 7. Нажимной плитой 11 и винтом 8 пластины сжимаются, образуя теплообменную секцию.

Теплообменные пластины имеют четыре проходных отверстия (а, б, в, г), которые образуют две изолированные  одна от другой системы каналов. Для  уплотнения пластин и каналов  имеются резиновые прокладки. Прокладка 6 уложена в паз по контуру пластины и охватывает два отверстия на пластине, через которые происходят приток и вывод теплоносителя  в канал между смежными пластинами, а прокладки 5 герметизируют два  других отверстия на пластине. Для  ввода теплоносителей в аппарат  и вывода предназначены штуцера 1, 9, 10, 12, расположенные на неподвижной  и подвижной плитах.

 

Рисунок 2. Разборный пластинчатый теплообменник.

 

Преимущества  пластинчатых теплообменников:

1. Обеспечивают энергосбережение. Сложная форма поверхности пластин создает развитую турбулентность рабочих сред в процессе теплообмена; критическое число Рейнольдса в 50 раз меньше, чем в трубах. Это позволяет работать с высоким коэффициентом теплопередачи при умеренных скоростях и потерях давле- 
   ния рабочих сред. Турбулентность уменьшает темп загрязнения поверхностей теплообмена.
2. Сокращаются требуемые для эксплуатации производственные площади и объемы зданий при равной заданной тепловой нагрузке в 3—4 раза. 
   Компактность достигается более развитой площадью поверхности теплообмена, приходящейся на единицу объема аппарата. Удельная металлоемкость снижается, что уменьшает стоимость теплообменников.
3. Позволяют проводить оптимизацию типоразмера теплообменника при его расчете для каждого конкретного заказа. При заданных энергозатратах на преодоление потерь давления вычисляется минимальная площадь поверхности теплообмена 
   (наименьшее количество пластин), что снижает стоимость аппарата.
4. Повышается надежность теплообменников путем применения корозионно-стойких металлов для изготовления меньших размеров поверхностей теплообмена. Во многих случаях высокая надежность обеспечивается применением цельносварных конструкций пластинчатых теплообменников из нержавеющей стали.
5. Снижаются эксплуатационные расходы. В разборных и полуразборных конструкциях пластины доступны для периодических осмотров и быстрой очистки от загрязнений.
6. Высокий КПД (90-95 %)
7. Пластинчатые теплообменники, оснащенные средствами автоматики, регулирования и надежной арматурой, позволяют снизить количество теплоносителя, идущего на нагрев воды. А значит, и диаметры трубопроводов и запорно-регулирующей арматуры, снизить нагрузки на сетевые насосы и, соответственно, уменьшить потребление электроэнергии.

 

Исходные данные.

• Температуры в помещении: [2]

Термический цех 

Объем помещения                                                                     

• Начальная температура греющего теплоносителя (вода)                         
• Конечная температура греющего теплоносителя                                       
• Начальная температура нагреваемого теплоносителя (вода)                                                                                                                                                      
• Конечная температура нагреваемого теплоносителя                                
• Максимально допустимое гидравлическое сопротивление по стороне хода греющего теплоносителя                                                                                             
• Максимально допустимое гидравлическое сопротивление по стороне хода нагреваемого теплоносителя                                                                                              
• Теплофизические свойства греющего теплоносителя при средней температуре [приложение 2]

    плотность                                                                                            

    удельная  теплоемкость                                                                      

    коэффициент  теплопроводности                                                      

    кинематическая  вязкость                                                                    

• Теплофизические свойства нагреваемого теплоносителя при средней температуре

  [приложение 2]

    плотность                                                                                              

    удельная  теплоемкость                                                                        

    коэффициент  теплопроводности                                                       

    кинематическая  вязкость                                                                     

 

Определяем конструкцию теплообменника, а по химической агрессивности теплоносителей выбираем конструкционные материалы для его изготовления.

• Теплообменник компонуется из пластин типа T2B.

     Геометрические размеры пластин и образуемых ими каналов [приложение 3]:

    площадь  поверхности теплообмена одной пластины                                 

    эквивалентный диаметр межпластинного канала                                        

    площадь  поперечного сечения одного канала                                           

    длина  канала (приведенная)                                                                            

    диаметр  условного прохода углового отверстия                                          

 

Рисунок 3. Принципиальная схема привязки блока.

 

 

1. Тепловой расчет.

 

Целью теплового расчета является определение  поверхности теплообмена (тепломассообмена) путем совместного решения уравнений  теплового баланса и теплопередачи.

 

1. Определим количество теплоты.

Расчетные параметры  наружного воздуха принимаются  по [2] в зависимости от пункта нахождения объекта и приведены для г. Магнитогорска.

                      _(1.1)

  - удельные теплопотери здания, [2];

         - объемы помещений (по заданию);

  - температуры внутри помещений [приложение 1,стр.24];

  -температура наружного воздуха для проектирования систем [10]

2. Расходы теплоносителей.

• греющего теплоносителя:

                                                       (1.2.1)                                

 

                                                                  (1.2.2)                        

• нагреваемого теплоносителя:

 

                                                          (1.2.3)

 

                                                               (1.2.4)

 

3. Средний температурный напор.

 

Средний температурный напор является эффективной движущей силой теплообмена. Определение среднего температурного напора (средняя разность температур) зависит от направлений взаимного движения рабочих сред, которые могут быть следующими: прямоток, противоток, однократно-перекрестный, многократно-перекрестный, параллельно-смешанный и последовательно-смешанный ток.

Выбор взаимного направления движения рабочих сред в аппарате должен производиться  так, чтобы обеспечить:

1) наибольший средний температурный напор, с которым связано получение при прочих одинаковых условиях наибольшей тепловой производительности аппарата, или сокращение размеров поверхности теплопередачи и затрат материала на ее изготовление;

2) наилучшее использование сред в смысле получения наибольшего изменения их температур  и при котором достигается минимальный расход этих сред;

      3) возможно менее «высокую» температуру стенок аппарата с целью уменьшения температурных деформаций и устранения неблагоприятных условий работы прокладок.

Наиболее  выгодно противоточное движение рабочих сред.

Рисунок 4. График изменения рабочих сред в противоточном теплообменнике.

Схема потоков:

                                  

                                                       

                                    

Можно определить по формуле и по номограмме:

(1.3.1)

 

                                          12 °C[приложение 4,стр.27]

 

4.    Скорость движения теплоносителей.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 5. Схема расположения потоков в пластинчатом теплообменнике.

 

Задаемся ориентировочным значением коэффициентом теплопередачи [приложение 5,стр.29]

 

 

- коэффициент общего гидравлического  сопротивления канала, принимаем ζ=1,5 [приложение 3 стр.25]

 

   _(1.3.2)

  - максимально допустимое гидравлическое сопротивление по стороне хода греющего теплоносителя и нагреваемого теплоносителя (располагаемый напор для преодоления гидравлических сопротивлений) из задания                                   

_{Критерий Рейнольдса}

                                                                 _(1.3.3)

                              

- эквивалентный диаметр межпластинного канала (по заданию),

           -  кинематическая вязкость воды (по заданию),

                                                                                                

 

 

_{Проверка  принятого значения}

                                                            _(1.3.4)

 

 

где a- постоянная величина, зависящая от типа пластин, a=15 [приложение 9,стр.32 ]

c- эксплуатационный коэффициент, учитывающий загрязнения пластин. На основе приведенных исследований можно принимать c=1,2-1,3 [приложение 9, стр. 32]

 

_{Критерий Прандтля при средней температуре греющего и нагреваемого теплоносителя}

                                                  _(1.3.5)

                  _(1.3.6)

                                               _(1.3.7)

                      _(1.3.8)

- теплопроводность воды,

- теплопроводность воды, , из условия.                                                                

Температура стенки аппарата необходима для выбора допускаемых напряжений, определения температурных удлинений, оценки температурных напряжений, оценки скорости коррозии. Температура стенки всегда ближе к температуре той среды, со стороны которой теплоотдача выше.                                        _(1.3.9)

_{По    определим теплофизические свойства воды [приложение 2,стр. 24]}

 

                     _(1.3.10)

_{Коэффициент теплопередачи пластинчатого теплообменника может быть определен расчетным путем по методике УкрНииХимМаш, согласно которой критерий Нуссельта определяется из формулы:}

_{Критерий Нуссельта}

                                                 _(1.3.11)

_{Коэффициент A различен для различных пластин.}

_{A = 0,135 для пластин с поверхностью нагрева   0,6м² [11]}

_{Коэффициент теплоотдачи:}

                           _(1.3.12)

_{Коэффициент теплопередачи, отнесенный к поверхности теплопередачи для плоской стенки, может быть найден по формуле:}

                                                                _(1.3.13)

где β – коэффициент, учитывающий уменьшение коэффициента теплопередачи из-за

термического  сопротивления накипи и загрязнений  на пластине, в зависимости от качества воды принимается равным 0,7 - 0,85,принимаем 0,8.

α₁ и α₂ – коэффициенты теплоотдачи от горячего теплоносителя к пластине и от пластины к холодному теплоносителю соответственно, Вт/м²°С;

_{δ  - толщина пластины, δ=0,8мм [ приложение 6, стр. 30],}

_{λ  - теплопроводность стали  марки AISI 316, λ=16,3 Вт/м∙К. [приложение 7, стр. 30].}

_{5.      Площадь поверхности теплообмена.}

 

                                        _(1.3.13)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Конструктивный расчет.

 

Задача  конструктивного расчета состоит в определении при номинальном режиме и заданной тепловой производительности геометрических размеров теплообменника.

Для конструктивного расчета используем результаты теплового расчета.

Порядок конструктивного  расчета:

1. Определение площади поперечного сечения пакета:

             _(2.1)

 

2. Определяем число параллельных каналов в пакете для каждой среды:

 

                                                _(2.2)

Принимаем          

- площадь поперечного сечения  одного канала (по заданию),

 

3. Число пластин в пакете:

 

                                           _(2.3)

 

4. Площадь поверхности теплообмена одного пакета:

 

                                       _(2.4)

- площадь поверхности теплообмена одной пластины (по заданию),

 

5.       Число ходов (пакетов) в теплообменнике:

 

                                                   _(2.5)

 

Принимаем       , 

 

5. Расчетное число пластин в аппарате

 

 

                                      _(2.6)

 

6. Фактическая площадь поперечного сечения пакетов:

 

                                         (2.7)                                      

 

3. Поверочный расчет.

 

Цель поверочного расчета:

 

• Определение конечной (или  начальной) температуры нагреваемой или охлаждаемой рабочей среды;
• Определение тепловой нагрузки аппарата Q,если заданы температурные условия его работы.

 

1. Фактическая скорость движения греющего теплоносителя  и нагреваемого теплоносителя в  каналах теплообменника:

 

 

                      (3.1)

                                  

2. Проверим величину выбранной площади поверхности теплообмена при фактических скоростях рабочих сред:

 

критерий  Рейнольдса:

 

            (3.2)

критерий  Нуссельта:

 

              (3.3)

 

коэффициент теплоотдачи:

 

 (3.4)

коэффициент теплопередачи:

 

     _(3.5)

 

площадь поверхности  теплообмена:

 

                                                                    (3.6)                                       

 

средний температурный напор:

 

                                                                            (3.7)                                        

 

уточняем температуру 

 

                                                  (3.8)              

                    

 

 

                      

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Гидравлический расчет.

 

Цель  гидравлического расчета: определяется сопротивление установки движению теплоносителей.

Используем данные из поверочного расчета.

1. Коэффициент общего гидравлического сопротивления единицы относительной длины канала для обоих теплоносителей:

 

                                       _(4.1)

2.  Гидравлическое сопротивление пластин

 

           _(4.2)

 

ζ  - коэффициент общего гидравлического сопротивления;

d – эквивалентный диаметр, d=0,0083 м;

 ρ – плотность рабочей среды; 
ω – скорость рабочей среды в межпластинном канале;

Х – число пакетов, Х=1;

L – Приведенная длина канала, L=1,01м.

 

3.  Скорости движения теплоносителей в штуцерах:

 

                            _(4.3)

- диаметр условного прохода углового отверстия (по заданию),

, - объемные расходы греющего и нагреваемого теплоносителей (из теплового расчета)

Т.к. скорости теплоносителей в штуцерах меньше предельных (0,45<2,5м/с; 0,54<2,5м/с), то местное сопротивление штуцеров учтено при расчете коэффициентов и

 

 

4.   Общее гидравлическое сопротивление теплообменника:

 

                                               _(4.4)

 

5.   Сопоставление заданных максимально допустимых гидравлических сопротивлений с расчетными.

При условии:                                                                                                                   _(4.5)

для греющего теплоносителя:

 

                                                           

                    

для нагреваемого теплоносителя:

 

 

_{Гидравлические  сопротивления находятся  в пределах располагаемых  значений, следовательно, расчет выполнен, верно.}

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Механический расчет.

1. Гидравлические испытания

Давление  гидравлических испытаний пластинчатого  теплообменника определяется по формуле: [8]

 МПа,                                 (5.1)

где    Р – расчетное давление[приложение 3А, стр.25]

- номинальное допускаемое напряжение  при температуре гидравлических  испытаний,[9]

- номинальное допускаемое напряжение при расчетной температуре,[9]

Принятое  давление гидравлических испытаний  на заводе изготовителе МПа. Для расчета давление гидравлических испытаний принято МПа. [4]

2.   Расчет прокладок на распор гидростатическим давлением.

 

Максимальное внутреннее давление.

 МПа,[8]     (5.2.1)

где n = 2,5 – коэффициент запаса плотности;

f = 0,6 – коэффициент трения резина – металл;

 Н                                                    (5.2.2)

– реакция прокладки, равная по величине силе нормального давления на прокладку;