ТЕПЛОСНАБЖЕНИЕ

ТЕПЛОВОЙ И ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ

Задачей теплового расчета является определение необходимой площади поверхности нагрева водоподогревателя при заданной теп­ловой производительности, конструкции и известных температурах греющей и нагреваемой сред на входе в водоподогреватель и на вы­ходе изг него.

Площадь поверхности нагрева, м2, определяют по формуле

Q

Р =-------- *—

К A tcp

Где Q —тепловая производительность, Вт; К — коэффициент теплопередачи, Вт/(м2Х Х°С); Д/ср— средняя разность температур греющего и нагреваемого теплоносителя, °С.

Изменение температур теплоносителей при их движении вдоль по­верхности нагрева происходит нелинейно. Учитывая это, среднюю разность температур следует определять по логарифмической фор­муле:

Д tQ — A tu

Д/ср=------------ д7<Г~ ' <[15]-18)

1п

Д и

Где Аіь — большая разность температур греющей и нагреваемой жидкостей; Atu — меньшая разность температур. >

Коэффициент теплопередачи водоподогревателей определяется по выражению:

К ____________ М;________

1—А—ИТ-' (319)

Аі + Я, + а2

Где <Zi — коэффициент теплоотдачи ОТ греющего теплоносителя к стенке трубки, а2 — то же, от стенки трубки к нагреваемой воде; б — толщина стенки трубки, м; Л — теп­лопроводность материала стенки.

В процессе эксплуатации подогревателя происходит отложение наки - .пи на трубках. Особенно интенсивно откладывается накипь на внутренней поверхности трубок подогревателей, нагревающих воду для системы горячего водоснабжения. Водопроводная вода, проходя­щая по трубкам, не подвергается, как правило, химической очистке от солей жесткости. В процессе нагрева водопроводной воды соли жесткости выпадают в осадок, образуя слой накипи. При этом значе­ние коэффициента теплопередачи снижается по сравнению с расчет­ным.

По данным ОРГРЭС, значение коэффициента ji, учитывающего термическое сопротивление слоя накипи, следует принимать рав­ным 0,85.

На теплоотдачу от греющей воды к стенке трубки и от стенки трубки к нагреваемой воде в скоростных подогревателях оказывает влияние ряд факторов: режим движения жидкости и основной пара­метр, определяющий режим, — скорость; физические характеристики воды (теплоемкость, теплопроводность, вязкость, плотность), завися­щие от ее температуры.

При турбулентном движении воды, обычно наблюдающемся в ско­ростных паро - и водоводяных подогревателях, происходит перемеши­вание слоев воды и одновременно интенсивный перенос тепла, так как горячие слои воды перемешиваются с более холодными (идет процесс вынужденной конвекции). Однако из-за шероховатости сте­нок трубок скорость движения воды вблизи них мала и здесь обра­зуется так называемый пограничный слой воды, где движение проис­ходит ламинарно. Пограничный ламинарный слой представляет собой значительное термическое сопротивление на пути теплового потока. Чем больше скорость движения воды, тем меньше толщина погранич­ного слоя, следовательно, тем эффективнее теплоотдача. Таким обра­зом, коэффициент теплоотдачи а зависит от числа Рейнольдса Re, ха­рактеризующего режим движения воды.

Толщина пограничного ламинарного слоя зависит также от физи­ческих свойств жидкости, характеризуемых критерием Прандтля Рг. Значение критерия Прандтля Рг для воды зависит от ее температу­ры. Коэффициент теплоотдачи а при вынужденной конвекции опреде­ляют по зависимости

Nu = 0,023 Re0,8 Рг0,4.

Значения физических параметров воды, входящих в выражения критериев Nu = adfdX Re — wd/v; Pr = v/a, принимают при средней тем­пературе воды в пределах подогревателя.

Если в приведенную формулу подставить выражения для крите­риев Nu, Re и Рг и решить ее относительно а, она примет следующий вид:

- X w

Где "К — теплопроводность воды, Вт/(м-°С); а — температуропроводность воды, м2/с; v — кинетическая вязкость воды, м2/с; w — скорость движения воды, м/с; d — внут­ренний диаметр трубки или эквивалентный диаметр межтрубного пространства, м.

Выражение

°>°23 аоД(М

Для воды определяется ее температурой и его можно представить в виде квадратичной зависимости от средней температуры воды:

0,023 о. Др.4 = 1430 + 23,3 /ср - 0,048 .

Тогда выражение для коэффициента теплоотдачи конвекцией от по­тока воды к стенке трубки при турбулентном режиме записывает­ся так:

Ш0,8

А = (1430 + 23,3 гср — 0,048 t ) -^Т" . ' (3.20)

В пароводяных подогревателях при контакте греющего пара с относительно холодными стенками трубок происходит конденсация пара и в результате у поверхности трубок образуется конденсатная пленка, представляющая собой основное термическое сопротивление при теплоотдаче от греющего пара к стенкам трубок. Толщина плен­ки конденсата зависит от критериев Ga, Рг и К. Критерий Галилея Ga = gH3/v2Konn показывает соотношение сил тяжести и трени^ в пленке конденсата. Критерий Прандтля Рг характеризует физические свойства жидкости, критерий Кутателадзе К=>*/(сД*) учитывает из­менение состояния пара на границе перехода в жидкую фазу. В вы­ражениях для критериев использованы следующие обозначения:

G — ускорение свободного падения, м/с2; Я — высота стекания конденсата, м; г — скрытая теплота конденсации при температуре и давлении насыщения, Дж/кг; с — удельная теплоемкость конденсата, Дж/(кг-°С); At—разность температур конденсат - ной пленки на поверхности, соприкасающейся с паром, и у трубки, °С

При ламинарном режиме течения пленки конденсата по горизон­тальным трубкам была получена следующая зависимость:

Nu = 0,72 (Ga Рг К)0"25.

Подставляя в критериальное уравнение выражения для критериев и решая его относительно аКовд, получаем

= 0,72 /

V vkohfl

Конд ин

Где аконд — коэффициент теплоотдачи при конденсации водяного пара, Вт/(м2-°С); рконд — плотность конденсата при температуре насыщения, кг/м8; гКовд — кинематиче­ская вязкость конденсата при температуре насыщения, м2/с; dn — наружный диаметр трубки, м; /нас—температура насыщения при давлении пара на входе в подогрева­тель, °С, tCT — температура стенки трубки, °С.

Величину

Л F ё г Ркс

'•72 V —*

'конд

Можно представить в виде квадратичной зависимости от /нас:

Рконд ^к

1 / § Г Рконд "КОНД о

°'72 V ----------- = 5024 + 55,3 *нао--0,16^.

Тогда выражение для расчета коэффициента теплоотдачи от кон - деіІЬирующегося пара к горизонтальным трубкам при ламинарном ре­жиме течения пленки конденсата можно представить так:

_ 5024 + 55,3 ^нас — 0,16

Аконд = 4,__________________ • (3.21)

У dH (tHac ^ст)

Особенности теплового расчета пластинчатых водоподогревателей.

Наличие в щелевидных каналах пластинчатых подогревателей, об­разованных пластинами с гофрами, большого числа близко располо­
женных поворотов приводит к эффективной искусственной турбулиза - ции потоков воды. На значение критического числа Рейнольдса влия­ют форма поверхности теплообмена, форма канала, а также источни­ки искусственной турбулизации потоков.

При движении воды в круглой трубе в условиях стабилизирован­ного потока область переходного режима лежит в пределах 2300 <; <Re<[10 000. В извилистых каналах пластинчатых водоподогревате - лей переход к турбулентному режиму происходит при Re=200...500[16].

Учитывая исключительную сложность гидромеханических и тепло­вых явлений в непрерывно меняющем направление турбулентном потоке воды в каналах пластинчатых подогревателей, задачу о тепло­отдаче решают не аналитически, а экспериментально в форме связи между критериями подобия.

Институтом УКРНИИхиммаш на основа эксперимента получены зависимости для теплового расчета пластинчатых подогревателей всех типов, выпускаемых в настоящее время промышленностью. Так, для пластины типа 0,5Е (см. рис. 3.5) при турбулентном движении воды получена следующая связь между критериями подобия:

Nu = 0,135 Re0,73 Рг0,43 .

Критерий Нуссельта при конденсации пара для тех же пластин:

Nu = 240 Re^o^ Pr° ■4.

Гидравлический расчет водоподогревателей. Потери давления во­ды в водоводяных и пароводяных подогревателях определяют по формуле

F XI w2

Ap = ApIp + AVc=(—+ Р"' <3-22)

Где Дртр — потери давления на трение, Па; Ари с — потери давления в местных соп­ротивлениях, Па; X— коэффициент гидравлического трения; I—длина одного хода по. дегревателя, м, —сумма коэффициентов местных сопротивлений; п — число сек­ций подогревателя, соединенных последовательно.

Коэффициент гидравлического трения X при средних числах Рей­нольдса и эквивалентной шероховатости кэкв = 0,005 м равен 0,03— 0,04.

Для потока воды, движущегося по трубкам секционного водово - дяного подогревателя, значения коэффициентов местных сопротивле­ний составляют: а) вход в трубки £=0,36; б) выход из трубок £=0,54; в) поворот потока на 180° при переходе из одной секции в другую £='1,1.

Потери давления, Па, для одной секции с внутренним диаметром трубок ^вн=0,014 м составляют:

При длине секции 2 м

/0,04-2 ьу2- 1000 „ „ А р = ' + 2 = 3857 да2;

0,014

При длине секции 4 м

,0,04 4 СУ2-1000 Др = —2---------- + 2 = 6714 w2.

0,014 ; 2 0

При прохождении по межтрубному пространству секционного водоводяного подогревателя поток воды встречает на своем пуги три вида местных сопротивлений: 1) внезапное расширение потока при входе воды из патрубка в межтрубное пространство под углом 90° к трубкам; 2) огибание поперечных сегментных или продольных перегородок, являющихся промежуточными опорами для трубок; 3) внезапное сужение потока при выходе воды из межтрубного пространства в патрубок.

Суммарный коэффициент местных сопротивлений межтрубного пространства можно определить'по выражению

■ 2 £мт = 18,5 /мт/fn»

Где [мт — площадь сечения межтрубного пространства, не заполненного трубками, м2; /п — площадь сечения патрубка, м2.

При расчете потерь давления в межтрубном пространстве в каче­стве диаметра используют эквивалентный диаметр межтрубного про­странства:

"экв ----------

Аш + z dH

Где DBB — внутренний диаметр корпуса подогревателя, м; dH — наружный диаметр трубки, м; z — число трубок.

Сумма коэффициентов местных сопротивлений пароводяных ско­ростных подогревателей определяется исходя из следующих значений этих коэффициентов: а) вход в камеры и выход из камер под углом 90° к трубкам £=1,5; б) вход в трубки из камер и выход из трубок в камеры в многоходовых подогревателях £=1; в) поворот на 180° в камерах £=2,5.

При гидравлическом расчете пластинчатых водоподогревателей местные сопротивления, равномерно распределенные по длине канала (гофры), учитываются вместе с сопротивлением трения единым экви­валентным коэффициентом сопротивления единицы относительной длины канала:

Сэкв — Стр См •

Подсчет гидравлического сопротивления таких каналов при любой их длине I производится по формуле

I W2

А р = £экв ------------- .г- р.

Аэкв

Где ^экв—эквивалентный диаметр межпластинного канала, м, равный d3KB—4fJn (здесь fi — площадь поперечного сечения потока в одном канале, м2).

Выражение для эквивалентного коэффициента гидравлического сопротивления пластинчатых водоподогревателей с различным типом пластин получено экспериментально институтом УКРНИИхиммаш. Так, для подогревателя с пластинами типа 0,5Е значение эквива­лентного коэффициента сопротивления рекомендуется определять по формуле

£экв = 22,4/Re0,25.

Пример 3.2. Рассчитать водоводяной скоростной подогреватель (ОСТ 34-588-68), предназначенный для подогрева водопроводной воды, поступающей в систему горя­чего водоснабжения. Исходные данные: тепловая производительность Q™|x=lX XI0® Вт; расчетные температуры воды тепловой сети т]5 = 150°С, т£=70°С; темпе­ратура горячей воды ^г=60°С, температура холодной водопроводной воды /Х = 5°С; удельная теплоемкость воды сВОды = 4190 Дж/(кг-°С). Определить площадь поверх­ности нагрева подогревателя, число секций, потери давления по греющей и нагревае­мой воде.

Решение.

1. Находим максимальный часовой расход нагреваемой воды

Ц ЫО'-ЗбОО б? тах = — = 15 621 кг/ч

Задавшись температурой греющей воды на выходе из подогревателя т5 =20°С, находим максимальный часовой расход греющей воды[17]:

™а* МО®. 3600

G™ax = , . Р В. Ч = —------------------ ——-— = 17 197 кг/ч.

Rp (Tj — т6) с (70 — 20) 4190

TOC o "1-3" h z Греющая вода направляется в межтрубное пространство подогревателя, нагрева­емая — по трубкам. Оптимальная скорость движения воды в трубках и межтрубном пространстве около 1 м/с, тогда: ,

Сро 15621

= ---------- —р-------- =------------------------ = 0,00436 м2;

/тр 4600 w рнагр 3600 1-995,67

G™ax 17197

/м» = ---------- -------- =------------------------ = 0,00483 м2.

1ш 3600 w ргр 3600-1.988,07

По таблице технических данных подогревателей выбираем подогреватель 08 ОСТ 34-588-68 Длина трубок подогревателя 4 м; площадь поверхности нагрева одной секции 3,54 м2; площадь сечения трубок /тр = 0,00293 м2, межтрубного пространства /Мт = 0,005 м2; эквивалентный диаметр межтрубного пространства (і3кв = 0,0155 м; внутренний диаметр трубки ^Вн = 0,014 м.

2. Определяем действительные скорости движения воды в трубках и в межтруб­ном пространстве:

G™a* 15 621

ДаД ------------ Ш--------- =--------------------------------- = 1,488 м/с;

Тр 3600/хр Рнагр 3600-0,00293-995,67

G™ax 17 197

ЦД ------------ р------ =--------------------------------- = 0,966 м/с.

Мт 3600ргр 3600-0,005-998,07

Находим величину коэффициента теплоотдачи от греющей воды к стенкам трубок по формуле (3.20):

0,9660,8

«!= (1430 + 23,3-45 — 0,048-452) Q 01550,2 =5325,7 Вт/(м2-вС)

Коэффициент теплоотдачи от внутренней поверхности стенки трубки к нагревае­мой воде:

1,4880-8

«2 - (1430 + 23,3.32,5 —0,048-32,52) Q Q14o,2 =6892,8 Вт/(м2-°С)

Коэффициент теплопередачи равен:

0,85 0,85 К = —J—2--- j— = j------- :------ і = 2555 Вт/ (ма - еС)

"оГ+а^ 5325,7 + 6892,8

(термическим сопротивлением стенки латунной трубки толщиной 1 мм пренебрегаем). По формуле (3.18):

Д /СР = 15 ""/5° = 12,3 - С. 1п "ТО"

Требуемая площадь поверхности нагрева:

Qmax Ь10в

F = ---------- —— = ——---------------- = 31,8 м2.

K Д /ср 2555-12,3

Число секций

П = /7//секц = 31,8/3,54 = 8,98.

Принимаем к установке девять секций.

3 Определяем потери давления при движении воды в трубках: , А ртр = 6714су2р п = 6714-1,4882-9= 133 792 Па.

То же, при движении воды в межтрубном пространстве: S Ј„w= 13,5 fm/fn = 13,5-1 = 13,5; (II /0,04-4 0,9662

Дрмт = to+13'5J^~988'07-9=98831'7