Теплообменных аппаратов

Лабораторная работа № 3

Изучение конструкций и разработка алгоритма расчета

Кожухотрубного рекуперативного теплообменного аппарата

С гладкими трубами

Целью работы является углубленное изучение процессов, протекающих в теплообменных аппаратах.

Основными задачами, выполняемыми в ходе работы, являются изучение взаимного влияния конструкционных решений на процессы теплообмена в кожухотрубных теплообменных аппаратах.

Изучение конструкций кожухотрубных теплообменных аппаратов с гладкими трубами

Первая часть работы посвящена изучению конструкций кожухотрубных теплообменных аппаратов с прямыми гладкими (неоребренными) трубами. Данный тип теплообменных аппаратов традиционно является самым распространенным в судовых энергетических установках. На рис. 3.1 представлена компоновочная схема теплообменного аппарата данного вида.

Конструкции кожухотрубных теплообменных аппаратов других видов и их конструктивные особенности изучаются во время занятия по наглядным материалам (плакаты, слайды и пр.). Особое внимание уделяется конструкциям основных узлов теплообменников, способам организации движения потоков теплоносителей и т. д.

По итогам выполнения первой части студенты должны представить рисунок (компоновочную схему) и спецификацию основных элементов ТА.  Конструкция  ТА  должна предусматривать возможность его дрениро-

Рис. 3.1. Кожухотрубный теплообменный аппарат 1 − входная камера; 2 − кожух; 3 − теплообменная труба; 4 − опора; 5 − крышка задней камеры; 6 − трубная доска; 7 − компенсатор

вания после отключения для хранения или ремонта. Вид теплообменного аппарата − в соответствии с вариантом задания (приложение 4).

Алгоритм теплового расчета рекуперативных

теплообменных аппаратов

Тепловой расчет любого рекуперативного теплообменного аппарата сводится к совместному решению двух уравнений: теплового баланса и теплопередачи.

В соответствии с уравнением теплового баланса количество теплоты, отведенной от теплоотдающего теплоносителя (ТОТ) (Q₁), равно количеству теплоты, подведенной к тепловоспринимающему теплоносителю (Q₂)

                                                 ½ Q ₁ ½ = Q ₂ = Q *.                               (3.1)

При постановке задачи расчета, в зависимости от назначения теплообменного аппарата, как правило, бывают известными величины, характеризующие теплоноситель, который является основным (охлаждаемая среда − в охладителях, нагреваемая − в нагревателях и т. п.) − расходы и значения концевых температур. Известными бывают значения отдельных величин для второго теплоносителя (например, температура забортной воды для охладителей воды внутреннего контура системы охлаждения судовых дизелей). В этом случае следует задаться значением одной из неизвестных величин, которое должно быть уточнено при выполнении расчета теплообменного аппарата.

Количество отводимой (подводимой) теплоты определяется из выражений:

− в случае отсутствия изменения агрегатного состояния теплоносителей

                       | Q | = М  ( t '' − t '),                                   (3.2)

или 

                       | Q | = V ( t '' − t '),                                  (3.3)                                     

где M и V – соответственно, массовый (кг/с) и объемный (м³/с) расходы теплоносителя;  − средняя массовая изобарная теплоемкость теплоносителя, кДж/(кг∙К) в интервале температур (t ', t '');  − средняя объемная изобарная теплоемкость теплоносителя, кДж/(м³∙К) в интервале температур (t ', t '')); t ', t '' − температуры теплоносителя, соответственно, на входе в теплообменный аппарат и на выходе из него;

− при изменении агрегатного состояния теплоносителей (конденсаторы, испарители и пр.)

| Q | = М(i_вых – i_вх),                                  (3.4)

где i_вх, i_вых – энтальпии теплоносителя соответственно на входе в теплообменный аппарат и на выходе из него, кДж/кг.

Уравнение теплопередачи записывается в следующем виде

Q = k D t F,                                           (3.5)

где  k – коэффициент теплопередачи, Вт/(м²×К);

    D t – температурный напор, °С;

    F – площадь поверхности теплообмена, м².

По итогам решения уравнения теплового баланса определяются значения величин, необходимых для решения уравнения теплопередачи. Уравнение теплопередачи решается относительно площади поверхности теплообмена, после чего производится ее окончательная компоновка. Расчет теплообменных аппаратов производится в следующей последовательности:

· из (3.2), (3.3) или (3.4) определяется количество теплоты, необходимой для получения требуемых выходных параметров теплоносителей (Q₁ или Q₂ − в зависимости от задания);

· рассчитываются значения расходов теплоносителей и концевых температур;

· определяются значения средних температур теплоносителей. Они будут определяющими при расчете значений коэффициентов теплопередачи;

· по значениям средних температур теплоносителей определяются значения их физических параметров;

· производится предварительная компоновка поверхности нагрева;

· определяются площади проходных сечений для теплоносителей и характерные линейные размеры, то есть линейные размеры, определяющие условия теплообмена в пределах рассматриваемого участка поверхности нагрева;

· определяются скорости движения теплоносителей и сравниваются с допустимыми значениями. В случае необходимости, вносятся изменения в компоновку (диаметр труб, поперечный шаг, схема омывания поверхности теплообмена, установка перегородок и т. п.);

· рассчитываются значения критериев Рейнольдса, и, в зависимости от выбранной схемы омывания поверхности теплообмена, определяется режим течения жидкости и выбирается соответствующее критериальное уравнение [Nu = f ( Re , Pr , …, Gr )]*;

· решаются критериальные уравнения и рассчитываются значения коэффициентов теплоотдачи a ₁ и a ₂ (a ₁ – коэффициент теплоотдачи от ТОТ к стенке, a ₂ – коэффициент теплоотдачи от стенки к ТВТ;

· с учетом условий теплообмена определяется значение коэффициента теплопередачи

,                               (3.6)

где  − термическое сопротивление теплопередающей стенки. Здесь δ _i –  толщина i-го слоя; λ _i − коэффициент теплопроводности i-го слоя.

· рассчитывается значение температурного напора;

· из (3.5) определяется площадь поверхности теплообмена;

· в зависимости от типа теплообменного аппарата определяются недостающие геометрические характеристики поверхности теплообмена (длина (высота) теплообменного аппарата; при поперечном омывании поверхности теплообмена определяется число рядов труб в пучке и пр.). В случае необходимости полученные значения корректируются из конструктивных соображений;

· выполняется поверочный расчет поверхности нагрева с целью определения действительных значений количества передаваемой теплоты и выходных параметров теплоносителей.

Вопросы, связанные с компоновкой поверхностей нагрева, имеют свои особенности на каждом из ее участков.