Поверочный тепловой расчет. К поверочному тепловому расчёту водоводяных пластинчатых теплообменников

Общие сведения. Поверочный тепловой расчёт фестона сводится к определению количества тепла, воспринимаемого фестоном. Количество теплоты, воспринимаемое фестоном, рассчитывается по уравнению теплового баланса и по уравнению теплопередачи. Результаты расчётов сравниваются, если расхождение результатов расчётов по уравнению теплового баланса и по уравнению теплопередачи не превышает ± 5%, то расчёт считается выполненным.

Конструктивно фестон состоит из труб заднего экрана, но размещенных с увеличенным поперечным S = 200-300 мм и продольным S 2 = 250-400 мм шагами, при этом трубы фестона разводятся в несколько рядов Z 2 . Иногда фестон выполняется из труб большего диаметра (около 100 мм), расположенных в один ряд (S = 400-800 мм).

Из расчета топки для предыдущей поверхности нагрева известными являются температура и энтальпия газов перед фестоном. Температура газов за фестоном принимается с последующей проверкой и уточнением ее. Кроме этого, она должна быть увязана с условиями обеспечения надежной работы пароперегревателя. Согласно охлаждение дымовых газов в фестоне ДО = - $ф можно предварительно принять для однорядных фестонов (Z 2 = 1) 5-10 °С, для двухрядных - 20-25 °С, для трехрядных фестонов - 30-45 °С и для четырехрядных - 50-80 °С (меньшее значение для влажного топлива, большее - для сухого). Количество рядов по ходу газов в фестоне Z 2 принимается из чертежа котла.

Температура обогреваемой среды постоянна и равна температуре кипения при давлении в барабане котла, температурный напор определяется по формуле

где - средняя температура газов в фестоне, °С; t H ~

температура кипения при давлении в барабане.

Средняя скорость газов в фестоне - величина, которая необходима для определения коэффициента теплоотдачи конвекцией - определяется из выражения (6.7) . Объем газов на единицу топлива V r определяется по избытку воздуха на выходе из топки.

Площадь живого сечения для прохода газов определяется из чертежа котла с использованием рис. 11.2.

где - высота газового окна, где размещен фестон, м; а - ширина котла по фронту, м; d - диаметр труб (определяется из чертежа); Z- число труб в одном ряду.

Если расстояние от крайней трубы фестона равно поперечному шагу S 1, то

Если указанное расстояние равно S/2, то

Коэффициент теплоотдачи конвекцией а к при поперечном обтекании определяется в зависимости от формы пучка (коридорный или шахматный) по номограммам 7, 8 или по рис. 6.4, 6.5 . При косом обтекании коридорных пучков с углом между направлением потока и осями труб

Коэффициент теплоотдачи излучением определяется по формулам (6.35), (6.37) или номограмме 18 , см. рис. 6.14 .

Эффективная толщина излучающего слоя определяется по формуле

Шаги труб определяются по действительному расстоянию между осями труб из чертежа. При конструкторском расчете согласно рекомендуются следующие шаги труб фестона S > 300, S 2 > 200 мм.

Излучение газовых объемов на фестон не учитывается. Температура загрязненной стенки вычисляется по формуле

При расчете коэффициента теплопередачи для фестонов не учитывается коэффициент теплоотдачи от стенки к пароводяной смеси а 2 , так как он много больше оц, и поэтому термическим сопротивлением 1/а 2 можно пренебречь.

Во всех случаях коэффициент теплоотдачи для фестона определяется по формуле

где |/ - коэффициент тепловой эффективности.

Для фестонов котлов большой мощности и развитых котельных пучков котлов малой мощности в зависимости от рода топлива "К принимаются в диапазоне 0,5-0,7 по таблице 7.4,7.5 , табл. 6.4 .

Коэффициент теплоотдачи от газов к стенке оц для фестона определяется по формуле

где? - коэффициент использования поверхности.

Полная теплообменная поверхность фестона

Для расчета количества теплоты, передаваемого от газов к фестону за счет конвективного теплообмена Q T , по формуле (6.1) в качестве расчетной поверхности нагрева принимается полная теплообменная поверхность фестона.

При поверочном расчете по уравнению теплопередачи определяется количество теплоты, переданное поверхности фестона Q T , и сравнивается с величиной тепловосприятия фестона Q§, которая складывается из двух составляющих: теплоты, непосредственно отданной газами при их охлаждении от &" ф до; теплоты, полученной фестоном излучением из топки.

Если расхождение между Q T и не превышает ± 5%, то расчет не уточняется.

Геометрические параметры фестона. Геометрические параметры фестона принимаются по паспортным данным котла:

• - наружный диаметр труб d H = 76 мм;
• - число рядов труб по ходу движения газов Z 2 = 4;
• - поперечный шаг труб *Si = 380 мм;
• - продольный шаг труб S 2 = 400 мм;
• - расположение труб - шахматное;
• - размер поверхности нагрева Еф= 164 м 2 ;
• - живое сечение для прохода газов/ = 50,3 м 2 .

Расчёт энтальпии дымовых газов на выходе из фестона. Температуру дымовых газов перед фестоном принимаем равной температуре газов на выходе из топки.

Температуру дымовых газов за фестоном определяем по формуле:

где принимаем °С - охлаждение газов в фестоне.

принимается в соответствии с табл. II-1 , см. табл. 4.7

Энтальпия дымовых газов на выходе из фестона:

Расчёт теплоты, воспринимаемой фестоном, по уравнению теплового баланса. Теплота, воспринимаемая фестоном, складывается из двух составляющих:

1. Теплота, отданная газами Q 6 ф, кДж/кг, рассчитывается по формуле (5.5) по (уравнению теплового баланса):

где (р - коэффициент сохранения теплоты, учитывает потери теплоты поверхностью нагрева в окружающую среду, (р = 0,99;

Энтальпия газов соответственно на входе в фестон и на выходе из фестона, кДж/кг;

Изменение коэффициента избытка воздуха в поверхности охлаждения (фестона), Да = 0;

Энтальпия присасываемого воздуха, кДж/кг.

2. Теплота (9 л.ф, кДж/кг, полученная фестоном излучением из топки, определяется по формуле

где X ф - угловой коэффициент трубного пучка, учитывает то, что не все тепло, излучаемое из топки, воспринимается фестоном. X ф определяется по рис. 5.19 . При S/d = 380/76 = 5 для шахматного расположения труб принимаем Х$ = 0,74;

0л,х.ф - теплота излучения из топки на фестон, кДж/кг.

Теплоту излучения из топки на фестон определяем по формуле (5.24) :

где г| в - коэффициент распределения тепловой нагрузки по высоте топки, определяется по табл. 4.10 , принимаем г| в = 0,8;

q„ - среднее тепловое напряжение поверхности нагрева топочных экранов, кВт/м 2 (см. (4.49) );

^л.ф - лучевоспринимающая поверхность фестона, м 2 .

Среднее тепловое напряжение поверхности нагрева q n , кВт/м, топочных экранов определяем по формуле (4.49) :

г Д е б л ~ удельное тепловосприятие топки, кДж/кг, определяется по формуле (4.23) :

Тепло, полученное фестоном излучением из топки:

Расчёт теплоты, воспринимаемой фестоном, по уравнению теплопередачи. Количество теплоты Q T , кДж/кг, передаваемое фестону по условию теплопередачи, определяем по формуле (6.1) :

где F - расчетная теплообменная поверхность фестона, м 2 ; к - коэффициент теплопередачи, Вт/(м 2 К);

At - усредненный по всей теплообменной поверхности температурный напор, °С;

В - расчетный расход топлива, кг/с.

1. Усредненный температурный напор определяем по рекомендациям, изложенным в (см. стр. 148), при неизменной температуре одной из сред. Температуру пароводяной смеси в фестоне определяем по табл. XXIII как температуру насыщения при давлении в барабане котла °С:

Усредненный температурный напор определяем по формуле (6.47) :

2. Расчетную скорость W r , м/с, газов в фестоне определяем по формуле (6.7) :

где V r - полный объем газов при сжигании 1 кг топлива при 0,1 МПа и 0 °С, определяемый по среднему избытку воздуха в газоходе, м 3 /кг, (табл. 11.1 настоящего расчета);

0 ср - средняя температура дымовых газов в газоходе, °С, (определяется как полусумма температур газов на входе в поверхность нагрева и на выходе из нее);

/ - живое сечение фестона (сечение для прохода газов), м 2 .

3. Коэффициент теплопередачи к, Вт/(м 2 К), определяем по следующей формуле (см. табл. 6.1 ):

где ц/ - коэффициент тепловой эффективности, принимается по табл. 6.4 ,

оц - коэффициент теплоотдачи от газов к стенке, Вт/(м 2 К).

4. а; определяется по формуле (6.5) :

где % - коэффициент использования поверхности нагрева, учитывает неравномерное омывание поверхности газами (см. стр. 119 ), принимаем? = 1;

Коэффициент теплоотдачи конвенций от газов к поверхности нагрева, Вт/(м 2 К);

а л - коэффициент теплоотдачи излучением продуктов сгорания, Вт/(м 2 К).

5. Коэффициент теплоотдачи конвекцией а к, Вт/(м 2 К), для шахматных гладкотрубных пучков определяем по формуле (6.10) , по данным стр. 125 или по номограмме 8 :

где а* - коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/(м 2 К), определяется по рис. 6.5 стр. 124 (для шахматных трубных пучков при поперечном омывании);

Различают проектный и поверочный расчеты процессов теплообмена. Задачей проектного расчета является определение размеров и режима работы теплообменника, необходимого для подвода или отвода заданного количества теплоты к тому или иному теплоносителю. Цель поверочного расчета – определение количества теплоты, которое может быть передано в конкретном теплообменнике при заданных условиях его работы. В обоих случаях расчет основывается на использовании уравнений теплового баланса и теплопередачи.

При проектном расчете известны или заданы количество нагреваемого или охлаждаемого вещества и его параметры на входе в теплообменник и на выходе из него. При этом определяют необходимую поверхность теплообменника, расход горячего или холодного теплоносителя, геометрические размеры теплообменника заданной конструкции и его гидравлическое сопротивление. В заключение на основе проведенных расчетов подбирают стандартный или нормализованный теплообменник определенной конструкции. Выбранная конструкция по возможности должна быть оптимальной, т.е. сочетать интенсивный теплообмен с низкой стоимостью и простотой в эксплуатации.

Поверочный расчет выполняют, чтобы определить, можно ли использовать имеющийся теплообменник для тех или иных целей, определяемых технологическими требованиями.

Проектный расчет рекуперативных теплообменников

До проведения расчета рекуперативных теплообменников производят выбор пространства для движения теплоносителя с целью улучшения условий теплоотдачи со стороны теплоносителя с большим термическим сопротивлением. Для этого жидкость, обладающую большой вязкостью или расход которой меньше, рекомендуется направлять в то пространство, где скорость ее может быть выше. Теплоносители, содержащие загрязнения, направляютв пространства, поверхности которых легче могут быть очищены от отложений. Выбор пространства должен учитывать также потери тепла в окружающую среду.

Предварительно выбирают и направление взаимного движения теплоносителей, учитывая преимущество противотока при теплообмене без изменения агрегатного состояния теплоносителей, а также целесообразность совпадения направлений вынужденного и свободного движения теплоносителя.

Очень важен правильный выбор оптимальных скоростей движения теплоносителей, так как это имеет решающее значение при конструировании и эксплуатации теплообменника. С увеличением скорости потоков увеличивается коэффициент теплопередачи
, а следовательно, уменьшается необходимая поверхность теплопередачи
, что в свою очередь ведет к уменьшению габаритных размеров теплообменника и его стоимости. Кроме того, с увеличением скорости уменьшается возможность образования отложений на поверхности теплообмена. Однако при чрезмерном повышении скорости движения потока увеличивается гидравлическое сопротивление теплообменника, что приводит к вибрации труб и гидравлическим ударам. Оптимальная скорость определяется из условий достижения желаемой степени турбулентности потока. Обычно стремятся, чтобы скорость потока в трубах соответствовала критерию
. В связи с этим рекомендуются следующие оптимальные скорости движения
(м/с): воды и жидкостей с умеренной вязкостью –
; вязких жидкостей –
; воздуха и газов при умеренном давлении –
; насыщенного пара под давлением –
; насыщенного пара под вакуумом –
. Наиболее желателен выбор оптимальной скорости на основе технико-экономического расчета.

Полный расчет теплообменника включает тепловой, конструктивный и гидравлический расчеты.

Тепловой расчет. Тепловой расчет проектируемых теплообменников производят в следующей последовательности:

– рассчитывают тепловую нагрузку и расход теплоносителей;

– рассчитывают средний температурный напор и средние температуры теплоносителей;

– рассчитывают коэффициент теплопередачи и поверхность теплообмена.

Наиболее прост расчет при постоянных температурах теплоносителей по длине теплообменника. В этом случае физические свойства теплоносителей и разность температур постоянны и расчет сводится к определению коэффициента теплопередачи. Близкие к этим условиям наблюдаются в обогреваемых конденсирующимся паром кипятильниках. В общем случае температуры теплоносителей изменяются по длине теплообменника. Взаимосвязь изменений температур теплоносителей определяется условиями теплового баланса, который для бесконечно малого элемента теплообменника имеет вид:

где ,и,– расходы и теплоемкости теплоносителей, аи– их температуры в произвольном сечении аппарата.

Уравнение теплового баланса для всего аппарата без учета потерь тепла получают путем интегрирования последнего уравнения:

где и,и– начальные и конечные температуры теплоносителей;– тепловая нагрузка.

Расходы теплоносителей при теплообмене без изменения агрегатного состояния на основании теплового баланса:

;

.

При изменении агрегатного состояния теплоносителя уравнение теплового баланса может иметь различную форму в соответствии с условиями протекания процесса. Например, при конденсации пара

(
– расход пара;и
– энтальпии пара и конденсата).

Изменение энтальпии

где
и
–средние удельные теплоемкости перегретого пара и конденсата;
и
– температуры перегретого и насыщенного пара.

Если неизвестна конечная температура одного из теплоносителей, то ее определяют из теплового баланса. Когда же неизвестны конечные температуры обоих теплоносителей, то для их определения используют общий прием – метод последовательных приближений. Этот метод основан на том, что вначале принимаются определенные решения относительно конструкции аппарата и неизвестных технологических параметров, затем путем пересчета проверяется правильность этого выбора, принимаются уточненные значения указанных параметров и расчет повторяется до получения результатов с желаемой степенью точности. При этом следует принять во внимание, что разность температур между теплоносителями на конце теплообменника должна быть не менее 10–20 °С для жидкостных подогревателей и 5–7 °С для паро-жидкостных подогревателей.

Определение среднего температурного напора
производится с учетом характера изменения температур вдоль поверхности теплообмена
. При противотоке, а также при постоянной температуре одного из теплоносителей среднюю разность температур определяют как среднелогарифмическую из большей и меньшей разности температур теплоносителей на концах теплообменника:

или при

.

При всех других схемах течения среднюю разность температур находят по этим же уравнениям, но с введением поправочного коэффициента (см. раздел 7.7.3).

Среднюю температуру теплоносителя с меньшим перепадом температур по длине аппарата рекомендуется рассчитывать как среднеарифметическую, а среднюю температуру другого теплоносителя находят по известной величине
, пользуясь соотношением

,

где
и
– средние температуры теплоносителей.

Дальнейшей задачей расчета является нахождение коэффициента теплопередачи
. Если теплопередача происходит через плоскую стенку или тонкую цилиндрическую, то

.

Для расчета
необходимо предварительно вычислить коэффициенты теплоотдачиипо обе стороны теплопередающей стенки, а также термическое сопротивление стенки
, которое включает помимо термического сопротивления самой стенки еще и термическиесопротивления загрязнений с обеих ее сторон. Термические сопротивления стенки и слоев загрязнений находят в зависимости от их толщины и коэффициентов теплопроводности материала стенки и загрязнений. Коэффициенты теплоотдачи рассчитывают в зависимости от условий теплоотдачи по одному из уравнений, приведенных в разделе 7.6.

Учитывая многообразие гофрированных поверхностей в пластинчатых теплообменниках, Л.Л. Товажнянским и П.А. Капустенко предложена зависимость для расчета коэффициента теплоотдачи, учитывающая угол наклона гофр по отношению к направлению потока рабочей среды:

где – угол наклона гофр.

Это уравнение справедливо в пределах
.

Для расчета теплоотдачи в каналах, образуемых пластинами типа 0,3р, 0,6р и 1,0(см. табл. 8.1), уравнение (8.20) может быть представлено в виде:

при

; (8.21)

при

. (8.22)

где–коэффициент гидравлического сопротивления щелевидного канала;– коэффициент гидравлического сопротивления гладкой трубы.

При конденсации быстродвижущегося пара (Re> 300) в каналах сетчато-поточного типа Л.Л. Товажнянский и П.А. Капустенко, используя модель движения дисперсно-кольцевого типа, получили следующую зависимость:

,

где Nu – критерий Нуссельта для пленки конденсата; Re ж – критерий Рейнольдса, рассчитанный по полному расходу парожидкостной смеси и вязкости жидкой фазы;
– плотности жидкости и пара соответственно;
– критерий Прандтля для жидкой фазы.

Поскольку коэффициенты теплоотдачи являются функциями скоростей движения, то, чтобы найти их, необходимо знать площади поперечного сечения каналов, по которым движутся теплоносители (расходы известны). Это требует предварительно задаться конструкцией и размерами теплообменника. Помимо этого, для вычисления коэффициента теплоотдачи часто необходимо знать температуру стенкиили удельную тепловую нагрузку, значения которых, в свою очередь, зависят от определяемой величины. В таких случаях коэффициенты теплоотдачи рассчитывают методом последовательных приближений: величинамиизадаются и после определения величины коэффициента теплопередачи
проверяют. Для упрощения расчета можно воспользоваться графоаналитическим методом, при котором ведут два параллельных расчета для двух выбранных значенийсо стороны одного из теплоносителей.

Так, например, если коэффициенты теплоотдачи изависят от температуры стенки
, то, задавшись двумя значениями
и
, вычисляют соответствующие значенияии удельные тепловые нагрузкии:

;

,

где – средняя температура теплоносителя.

По величине термического сопротивления стенки
рассчитывают температуру стенки со стороны другого теплоносителя:

,

и определяют и, а такжеи:

,

(– средняя температура второго теплоносителя).

Рисунок 8.34 – Зависимость q 1 иq 2 от значенийt ст1

Затем строят график зависимостииот принятых значений
(рис. 8.34). По точке пересечения линий, соединяющих тепловые нагрузки при различных значениях
, определяют истинные температуру стенки
и тепловую нагрузку.

Тогда коэффициент теплопередачи
.

Величина поверхности теплообмена из общего уравнения теплопередачи

, либо
.

Особенности теплового расчета холодильников и конденсаторов . Расчет холодильников-конденсаторов имеет свои особенности, обусловленные характером изменения температур и коэффициентов теплопередачи вдоль поверхности теплопередачи.

На рис. 8.35 показано примерное распределение температур в конденсаторе-холодильнике, в который поступают пары в перегретом состоянии.

В данном случае можно выделить три зоны: I – охлаждение паров до температуры насыщения; II – конденсация паров и III – охлаждение конденсата. В первой зоне пары охлаждаются от температуры до
и переходят в насыщенное состояние. Коэффициент теплопередачи для этой зоны имеет меньшую величину, чем в зоне II, где происходит конденсация паров. В зоне III коэффициент теплопередачи имеет промежуточное значение.

Рисунок 8.35 – Профиль температур в конденсаторе-холодильнике

Тепловой баланс по зонам при условии полной конденсации насыщенного пара в количестве

где и
– энтальпия перегретого и насыщенного пара соответственно;–удельная теплоемкость пара;

,

– удельная теплота парообразования;

здесь
и– удельная теплоемкость и температура конденсата.

.

Температуры охлаждающего агента (воды)
в начале и конце зоны II определяют из уравнений теплового баланса

;

,

(– удельная теплоемкость охлаждающего агента).

Общий расход охлаждающего агента

.

Для каждой зоны по известным уравнениям рассчитывают среднюю разность температур
и коэффициент теплопередачи
.

Тогда поверхности теплообмена зон:

;
;
.

Конструктивный расчет . Задачей конструктивного расчета теплообменных аппаратов является определение основных размеров аппаратов и выбор их общей компоновки. Исходными данными для конструктивного расчета являются результаты теплового расчета: расходы теплоносителей, скорости их движения, начальные и конечные температуры, поверхность теплообмена.

Для трубчатых аппаратов конструктивный расчет сводится к определению числа или длины труб, размещению их в трубной решетке (с учетом числа ходов) и нахождению диаметра и высоты аппарата. Расчету подлежат также диаметры патрубков штуцеров теплообменника.

Общее число труб теплообменника при их среднем диаметре
и принятой длинеопределяют по поверхности теплообмена

.

При заданном расходе жидкостии принятой скорости ее движения
по трубам с внутренним диаметромчисло труб одного хода

.

Число ходов в трубном пространстве теплообменника

.

Внутренний диаметр кожуха теплообменника
определяется числом трубок, размещаемых в трубной решетке. Отверстия для труб в трубных решетках размещают равномерно по всему сечению. Такое размещение сравнительно легко осуществляется в одноходовом теплообменнике. В многоходовых теплообменниках, имеющих перегородки, размещение труб производят обычно графическим путем. По геометрической конфигурации различают размещение трубок по вершинам правильных многоугольников и по концентрическим окружностям.

При размещении труб шаг принимают в зависимости от их наружного диаметра, при закреплении труб развальцовкой
, а при закреплении их сваркой
. Общее число труб, которое можно разместить на трубной доске по вершинам равносторонних треугольников в пределах вписанного в круг шестиугольника,

,

где – число труб, размещающихся на диаметре трубной решетки:

(
– расчетная поверхность теплопередачи;– шаг труб;– поверхность 1 м трубы принятого диаметра;– отношение высотыили длинырабочей части теплообменника к его диаметру).

Диаметр трубной решетки или внутренний диаметр кожуха теплообменника

.

Рабочая длина одной трубы

, или
.

Полная высота теплообменника

,

где –толщина трубной решетки (для стальных труб
мм, для медных труб
мм);– высота камеры (крышки),
м.

Змеевики располагают в аппаратах таким образом, чтобы они по всей высоте находились в жидкости и со всех сторон не доходили до стенок аппарата на 0,25 – 0,4 м.

При известном внутреннем диаметре аппарата
диаметр витка змеевикасоставит

Общая длина труб змеевика

.

Длина одного витка змеевика

.

Число витков змеевика определяют из зависимости

,

где – расстояние между витками по вертикали,
.

Для пластинчатых теплообменников при конструктивном расчете определяют: размеры пластин и число каналов в одном пакете, число пластин в каждом пакете и число пакетов в аппарате, общее число пластин и основные размеры аппарата.

Число параллельных каналов в пакете для каждой среды

,

где – площадь поперечного сечения пакета,
(– объемный расход теплоносителя,
– его скорость);– площадь сечения одного межпластинчатого канала.

Полученное значение
округляют до целого.

Число пластин в пакете

.

В крайних пакетах, соприкасающихся с плитами, общее число пластин на одну больше (концевую):

.

Поверхность теплопередачи одного пакета

,

где – поверхность теплопередачи одной пластины.

Число пакетов (ходов) в теплообменнике

(
–рабочая поверхность аппарата, найденная при тепловом расчете).

Если величина получается дробной, то ее округляют до целого числа и корректируют соответственно поверхность всего аппарата:

.

Общее число пластин в аппарате (секции)

.

Гидравлический расчет теплообменников . Целью гидравлического расчета является определение сопротивления, создаваемого теплообменником, и мощности, необходимой для перемещения через него жидкости.

Гидравлическое сопротивление теплообменника
складывается из потерей давления на преодоление трения
и потери давления
, расходуемого на преодоление местных сопротивлений

.

Для кожухотрубчатых теплообменников полное гидравлическое сопротивление трубного пространства

,

где – коэффициент внешнего трения (см. раздел 1.3.4);– общая длина пути потока в трубах;
– скорость потока в трубах;– плотность потока при его средней температуре;– коэффициент местного сопротивления.

Гидравлическое сопротивление межтрубного пространства

.

Здесь
–средняя скорость движения теплоносителя в межтрубном пространстве;– его плотность при средней температуре;–коэффициент сопротивления для межтрубного пространства (для теплообменников с длиной труб 6 м величина
; при длине труб 3 и 9 м принимают поправочные коэффициенты 0,5 и 1,5 соответственно).

Гидравлическое сопротивление многопакетного пластинчатого теплообменного аппарата при одинаковом числе каналов во всех пакетах

,

,

где – коэффициент общего гидравлического сопротивления единицы относительной длины межпластинчатого канала;
и– эквивалентный диаметр и приведенная длина одного межпластинного канала,
(– рабочая поверхность теплообмена одной пластины;– ширина рабочей части пластины);– плотность теплоносителя при его средней температуре;
– его скорость в межпластинном канале;– число последовательно включенных каналов или число пакетов в секции для данной рабочей среды;– общее число пластин в секции (аппарате);– зазор между пластинами;– объемная производительность аппарата.

При турбулентном течении (10 3

где– угол наклона гофра;– угол при вершине гофра.

Для пластин типа 0,3р, 0,6р и 1,0(см. табл. 8.1):

при

; (8.26)

при

. (8.27)

Значения коэффициентов A иB в уравнениях (8.26) и (8.27) приведены в таблице 8.2.

Таблица 8.2 – Значения коэффициентов A иB в уравнениях (8.26) и (8.27)

Между теплопередачей и потерей давления существует тесная физическая и экономическая связь, обусловленная скоростью движения теплоносителей. Чем больше скорости теплоносителей, тем выше коэффициент теплопередачи и тем компактнее для данной тепловой нагрузки теплообменный аппарат, а следовательно, меньше капитальные затраты. Но при этом растет гидравлическое сопротивление потоку и возрастают эксплуатационные расходы. Поэтому скорость теплоносителя выбирается в некоторых оптимальных пределах, определяемых, с одной стороны, стоимостью поверхности теплообмена аппарата данной конструкции, а с другой – стоимостью затрачиваемой энергии при эксплуатации аппарата.

Задачи и методы теплового расчета. Различают конструктивный (проектный) и поверочный тепловые расчеты. Их методика является общей. Разница заклю­чается в целях расчета и в искомых величинах.

Конструктивный расчет имеет целью определить раз­меры топки и других поверхностей нагрева, обеспечи­вающие при принятой экономичности и надежности по­лучение номинальной паропроизводительности при за­данных параметрах пара, температуре питательной воды и топливе. В результате теплового расчета получают данные, необходимые для расчета на прочность и выбо­ра материала элементов котла, выполнения гидравличе­ских и аэродинамических расчетов и выбора вспомога­тельного оборудования.

Поверочный расчет выполняют для существующей или запроектированной конструкции агрегата. Его вы­полняют для заданных размеров поверхностей нагрева и сжигаемого топлива с целью определения температуры рабочей среды, воздуха и продуктов сгорания на гра­ницах между поверхностями нагрева. Поверочный рас­чет выполняют при изменении температуры питательной воды, температуры перегретого пара, при переводе кот­ла на другое топливо. Цель поверочного расчета - вы­явление тепловых характеристик котла при различных нагрузках и возможностей его регулирования. При вы­полнении конструктивного расчета можно выбирать раз­мер отдельных поверхностей нагрева (например, ширм) по компоновочным соображениям. Тогда эти поверхно­сти рассчитывают методом поверочного теплового расче­та. На основании поверочного расчета устанавливают экономичность и надежность котла, разрабатывают ре­комендации для его реконструкции, получают данные, необходимые для гидравлических, аэродинамических и прочностных расчетов.

Независимо от задачи тепловой расчет выполняют по нормативному методу.

Последовательность конструктивного теплового рас­чета барабанного котла. Порядок расчета составлен применительно к схеме барабанного котла, показанного на рис. 21.9. Устанавливают объем теоретически необхо­димого количества воздуха и продуктов сгорания. Под­считывают действительный объем воздуха и продуктов сгорания в топке и газоходах с учетом избытка органи­зованного воздуха и присосов для заданной конструк­ции котла (при уравновешенной тяге). Определяют энтальпию продуктов сгорания и воздуха. Составляют тепловой баланс котла, определяют тепловые потериКПД брутто и определяют расход топлива. В соответствии с выполняют расчет топки. Выбирают сечение топки по значению теплового напря­жения сечения которое не должно превы­шать допустимого значения. По выбранной температуре на выходе из топкиопределяют полную поверхность стен топки Расчет топки заканчивают проверкой допустимого тепловыделения в объеме топки, кото­рое не должно превышать предельного значения, а так­же проверкой соответствия значения, принятого для рас­чета коэффициента тепловой эффективности получен­ного в результате расчета - расхождение не должно превышать

Расчет теплообмена в топочной камере учитывает количество теплоты, используемой ширмами (поверх­ность, непосредственно примыкающая к топке) и радиа­ционным потолочным перегревателем. Следовательно, размеры ширм и радиационного перегревателя при рас­чете топки должны быть известны. Далее определяют

Рие. 21.9. Расчетная схема барабанного котла. / - парообразующие поверхности нагрева (топочные экраны); 2 - потолочный пароперегреватель; 3 - ШПП; 4 - подвесные трубы; 5 - КПП; 6 - экономайзер; 7 - воздухоподогреватель.

количество теплоты, воспринимаемой ширмами за счет излучения из топки и теплообмена в пределах ширм, и затем температуру продуктов сгорания за ними.Для принятой схемы котла по этой температуре после учета тепловосприятия подвесных труб можно найти температуру продуктов сгорания перед конвективными пакетами пароперегревателя. Оставшуюся после теплообмена в топке, ширмах и радиационном пароперегревателе теплоту продуктов сго­рания распределяют между конвективными поверхностя­ми нагрева водопарового тракта и воздухоподогревате­лем. Сначала теплоту распределяют между теми поверх­ностями нагрева, для которых заданы или известны входные и выходные параметры рабочего тела: опреде­ляют количество теплоты, которое необходимо передать пароперегревателю для достижения данных параметров пара и затем воздухоподогревателю .

Распределение теплоты между поверхностями нагре­ва замыкают обычно на экономайзере, для которого не задаются выходные параметры по воде. После установ­ления теплоты, передаваемой пароперегревателю и воз­духоподогревателю, находят энтальпии и температуры продуктов сгорания до и после экономайзера.

Правильность распределения теплоты между поверх­ностями нагрева проверяют по уравнению теплового ба­ланса

Невязка баланса не должна превышать располагаемой теплоты Убедившись в правильности распределения теплоты между поверхностями нагрева, выполняют конструктивный расчет поверхностей паропе­регревателя, экономайзера и воздухоподогревателя в со­ответствии с указаниями.

Теплообменными аппаратами называют устройства, в которых происходит передача теплоты от одного тела к другому. Тела, которые отдают или принимают теплоту, называют теплоносителями. Теплообмен между теплоносителями является одним из наиболее важных в технике процессов.

По принципу действия теплообменные аппараты могут быть разделены на рекуперативные, регенеративные и смесительные. Выделяются еще теплообменные устройства, в которых нагрев или охлаждение теплоносителя осуществляется за счет внутренних источников теплоты.

Рекуперативные теплообменные аппараты представляют собой устройства, в которых две жидкости с различными температурами текут в пространстве, разделенном твердой стенкой. Теплообмен происходит за счет конвекции и теплопроводности, а если хоть одна из жидкостей является излучающим газом, то и за счет теплового излучения. Примером таких аппаратов являются котлы, подогреватели, конденсаторы, выпарные аппараты и др.

Регенераторы - такие теплообменные аппараты, в которых одна и та же поверхность нагрева через определенные промежутки времени омывается то горячей, то холодной жидкостью. Сначала поверхность регенератора отбирает теплоту от горячей жидкости и нагревается, затем поверхность регенератора отдает энергию холодной жидкости. В регенераторах теплообмен всегда происходит в нестационарных условиях, а рекуперативные теплообменные аппараты большей частью работают в стационарном режиме.

Так как в регенеративных и рекуперативных аппаратах процесс передачи теплоты неизбежно связан с поверхностью твердого тела, то их еще называют поверхностными. В смесительных аппаратах теплопередача осуществляется при непосредственном контакте и смешении горячей и холодной жидкостей. Типичным примером таких теплообменников являются градирни. В градирнях вода охлаждается атмосферным воздухом. Воздух непосредственно соприкасается с водой и перемешивается с паром, возникающим из-за частичного испарения воды.

Независимо от принципа действия теплообменные аппараты, применяющиеся в различных областях техники, имеют свои названия. Однако с теплотехнической точки зрения все аппараты имеют одно назначение - передачу теплоты от одного теплоносителя к другому или поверхности твердого тела к движущимся теплоносителям. Последнее и определяет те общие положения, которые лежат в основе теплового расчета любого теплообменного аппарата.

Основные положения и уравнения теплового расчета

Тепловые расчеты теплообменных аппаратов могут быть проектными и поверочными. Проектные (конструктивные) тепловые расчеты выполняются при проектировании новых аппаратов, целью расчета является определение поверхности теплообмена. Поверочные тепловые расчеты выполняются, в случае если известна поверхность нагрева теплообменного аппарата и требуется определить количество переданной теплоты и конечные температуры рабочих жидкостей. Тепловой расчет теплообменных аппаратов сводится к совместному решению уравнений теплового баланса и теплопередачи. Эти два уравнения лежат в основе любого теплового расчета. Ниже названные уравнения приводятся для рекуперативных теплообменников.

Уравнение теплового баланса. Изменение энтальпии теплоносителя вследствие теплообмена определяется соотношением

Здесь и в дальнейшем индекс «1» означает, что данная величина отнесена к горячей жидкости, а индекс «2» - к холодной. Обозначение (штрих) соответствует данной величине на входе в теплообменник, (два штриха) - на выходе.

Полагая, что с р =const и dh=c p dt , предыдущие уравнения можно записать:

Удельная теплоемкость с р зависит от температуры. Поэтому в практических расчетах в уравнение подставляется среднее значение изобарной теплоемкости в интервале температур от t" до t"" .1) прямого тока; 2) противоточные; 3) перекрестного тока; 4) со сложным направлением движения теплоносителей (смешанного тока).

Cтраница 1

Поверочный тепловой расчет позволяет поверить границы изменения параметров и расхода генерируемого пара в КУ при экстремальных значениях температуры наружного воздуха, изменении вида сжигаемого топлива и нагрузки ГТУ и их влияние на паровую турбину. При анализе учитывается вид тепловой схемы ПГУ (моно или полиблочная), а также возможность работы паровой турбины установки на одном из имеющихся КУ.  

Поверочный тепловой расчет выполняется для котла-утилизатора известной конструкции с целью выявления его тепловых характеристик при различных нагрузках собственно котла и изменении режимов работы ГТУ. Поверочный расчет производится также в том случае, когда котел-утилизатор, рассчитанный на использование тепла отходящих газов определенного типа ГТУ, устанавливается за ГТУ другого типа. Для поверочного расчета необходимо знать параметры продуктов сгорания на входе котла-утилизатора, давление и температуру питательной воды, а иногда и температуру перегретого пара. В результате поверочного теплового расчета при известных геометрических характеристиках поверхностей нагрева определяют температуры рабочих сред (пара, воды, продуктов сгорания) на входе и выходе поверхностей, скорости рабочих сред, аэродинамическое сопротивление котла-утилизатора и его производительность.  

Поверочные тепловые расчеты выполняются для установления возможности использования готовых или стандартных аппаратов, изготовляющихся заводами, а также для действующих теплообменных аппаратов. В этих расчетах при заданных размерах аппаратов и условиях их работы, определяемых технологическим и теплотехническим режимами производства, требуется установить фактическую производительность установленных аппаратов и ее соответствие требуемой производительности. Иными словами, задачей - поверочных тепловых расчетов теплообменных аппаратов является выбор условий, обеспечивающих оптимальный режим их работы.  

Поверочные тепловые расчеты приобретают важное значение в связи с разработкой мероприятий по рационализации теплового хозяйства промышленных предприятий и повышению производительности теплового оборудования.  

Поверочные тепловые расчеты обычно приходится выполнять чаше, чем проектные. С поверочными расчетами встречается в практической работе широкий круг инженерных работников. Но, несмотря на это, методика поверочных тепловых расчетов разработана все еще недостаточно. Поэтому в дальнейшем методике поверочных тепловых расчетов будет уделено надлежащее внимание.  

Поверочные тепловые расчеты относятся к работающим в заводских условиях выпарным установкам и имеют своей задачей установление оптимального режима работы установки в определенных условиях. В этом состоит нормирование работы тепловых устройств. При нормировании работы выпарных установок основной задачей следует считать установление оптимального температурного режима в связи с исходными данными об общей нагрузке установки, пароотборе и размерах отдельных корпусов.  

Поверочные тепловые расчеты выполняются в случае, если известна поверхность нагрева теплообменного аппарата и требуется определить количество переданного тепла и конечные температуры рабочих жидкостей. Тепловой расчет теплообменных аппаратов сводится к совместному решению уравнений теплового баланса и теплопередачи.  

Поверочные тепловые расчеты выполняются в случае, если известна поверхность нагрева теплообменного аппарата и требуется определить количество переданной теплоты и конечные температуры рабочих жидкостей. Тепловой расчет теплообменных аппаратов сводится к совместному решению уравнений теплового баланса и теплопередачи.  

Поверочный тепловой расчет производят для существующего котельного агрегата. Задачей этого расчета является определение экономичности котла и оценка надежности его работы для заданного топлива, притом в некоторых случаях не только для номинальной нагрузки котла, но и для нагрузок, отличающихся от нее. Задачей поверочного расчета может явиться также оценка работы котла после реконструкции топочных устройств или поверхностей нагрева с целью повышения его производительности или экономичности.  

Поверочный тепловой расчет проводится в том случае, когда имеется готовый (стандартный) теплообменник и требуется определить, сколько таких аппаратов необходимо установить, чтобы поверхность их теплообмена соответствовала полученной в результате расчета.  

Поверочные тепловые расчеты выполняют для выявления возможности использования готовых или стандартных теплообменных аппаратов для тех или иных целей, определяемых технологическими требованиями.  

Поверочный тепловой расчет аппарата производится после того, как рассчитаны и спроектированы все его детали и узлы. Задачами поверочного расчета являются: 1) определение температуры: а) на поверхности деталей и узлов из металла; б) максимальной и средней внутри узлов, содержащих изоляционные материалы; 2) определение температуры охлаждающей среды внутри оболочки у аппаратов, имеющих оболочку; 3) определение температуры наружной поверхности стенок оболочки. В этой главе изложены упрощенные методы расчетов.  

Поверочный тепловой расчет отельного агрегата представляет собой сложную математическую задачу, заключающуюся в составлении и решении системы нелинейных алгебраических уравнений высокого порядка. Для составления решения этой системы необходимы значительные массивы исходной информации, характеризующей котельный агрегат в целом, а также каждую из его поверхностей.