Тепловой и конструктивный расчет пластинчатых водоподогревателей

ТЕПЛОВОЙ И КОНСТРУКТИВНЫЙ РАСЧЕТ ПЛАСТИНЧАТЫХ ВОДОПОДОГРЕВАТЕЛЕЙ Описание принципа действия пластинчатых теплообменников Поверхностью теплообмена в этих теплообменниках являются гофрированные параллельные пластины, с помощью которых создается система узких каналов (рис. 1) шириной 3+6 мм с волнистыми стенками. Скорость движения жидкости в таких каналах значительна (1+3 м/с), поэтому коэффициенты теплопередачи в пластинчатых теплообменниках достигают л больших значений - до 3000+4000 Вт/(м К) - при сравнительно невысоких гидравлических сопротивлениях. На рис. 1, схематично показано движение теплоносителя I пунктирными линиями, а теплоносителя II - сплошными. Теплоноситель I поступает через штуцер 12, движется по нечетным каналам (считая справа налево) и уходит через штуцер 2. Пакет пластин зажимается между неподвижной головной плитой 3 и подвижной головной плитой 8 . На рис. 2, также схематично показано взаимное движение теплоносителей I и II между пластинами. 6 а Рис. 1. Пластинчатый теплообменник и его элементы (начало): а - монтажная схема однопоточного аппарата: 1, 11 - штуцера ввода и вывода теплоносителя II; 2, 12 - штуцера вывода и ввода теплоносителя I; 3 - неподвижная плита; 4, 13 - каналы для движения теплоносителя I (пунктирная линия); 5, 14 - каналы для движения теплоносителя II; 6 четные пластины, считая, слева направо (остальные пластины нечетные), обтекаемые теплоносителем I справа и теплоносителем II слева; 7 - направляющие стержни; 8 - подвижная плита; 9 - неподвижная стойка; 10 - стяжное винтовое устройство г Рис. 2. Пластинчатый теплообменник и его элементы (окончание): б - схема движения теплоносителя I и II в однопоточном (одноходовом) теплообменнике; в - устройство одного из типов пластин: 1 - прокладка, ограничивающая пространство между пластинами, по которому движется теплоноситель I (снизу вверх); 2, 3 - отверстия для прохода этого теплоносителя; 4 - две малые кольцевые прокладки, уплотняющие отверстия 5 и 6, через которые проходит теплоноситель II; г - характер потока жидкости в пространстве между двумя соседними гофрированными пластинами Пластинчатые теплообменники достаточно просты в изготовлении, их легко разбирать и ремонтировать. Однако герметизация пластин представляет серьезную проблему. По этой же причине их применение при высоких давлениях затруднительно. Характеристики пластинчатых водоподогревателей В соответствии с каталогом ЦИНТИхимнефтемаш выпускаются теплообменники пластинчатые для теплоснабжения следующих типов: полуразборные (РС) с пластинами типа 0,5Пр и разборные (Р) с пластинами типа 0,3р и 0,6р. Технические характеристики указанных пластин и основные параметры теплообменников, собираемых из этих пластин, приведены в табл. 1, 2 . Допускаемые температуры теплоносителей определяются термостойкостью резиновых прокладок. Для теплообменников, используемых в системах теплоснабжения, обязательным является применение прокладок из термостойкой резины. Таблица 1 Техническая характеристика пластин Габариты (длина х ширина х толщина), мм Поверхность теплообмена, м2 Вес (масса), кг Эквивалентный диаметр канала, м Площадь поперечного сечения канала, м2 Смачиваемый периметр в поперечном сечении канала, м Ширина канала, мм Зазор для прохода рабочей среды в канале, мм Приведенная длина канала, м Площадь поперечного сечения коллектора (угловое отверстие на пластине), м2 Наибольший диаметр условного прохода присоединяемого штуцера, мм 1370 х 300 х 1 1375 х 600 х 1 1380 х 650 х 1 0,3 3,2 0,008 0,0011 0,6 5,8 0,0083 0,00245 0,5 6,0 0,009 0,00285 0,66 1,188 1,27 150 545 570 4 4,5 5 1,12 1,01 0,8 0,0045 0,0243 0,0283 65(80) 200 200 -н | 5 ,2 R <и R 5 ,2 < П |о - н | <и Коэффициент общего гидравлического сопротивления Коэффициент гидравлического сопротивления штуцера Коэффициенты: А Б 0,5Пр 4 <~Л 1 0,3р 2 Тип пластины 0,6р 3 R 1 Показатель 1,5 1,5 1,5 0,368 4,5 0,492 3,0 0,492 3,0 Условное обозначение теплообменного пластинчатого аппарата: первые буквы обозначают тип аппарата - теплообменник Р (РС) разборный (полусварной), следующее обозначение - тип пластины, цифры после тире толщина пластины, далее - площадь поверхности теплообмена аппарата (м ), затем - конструктивное исполнение (в соответствии с табл. 2 ), марка материала пластины и марка материала прокладки. После условного обозначения приводится схема компоновки пластин. Пример условного обозначения пластинчатого разборного теплообменного аппарата: теплообменник Р 0,6р-0,8-16-1К-01 теплообменник разборный (Р) с пластинками типа 0,6р, толщиной 0,8 мм, площадью поверхности теплообмена 16 м2, на консольной раме, в коррозионно-стойком исполнении, материал пластин и патрубков - сталь 12Х18Н10Т; материал прокладки - теплостойкая резина 359; схема компоновки: Л сх 5+ 5+ 5 , 6 + 5+ 5 что означает: над чертой - число каналов в каждом ходе для греющей воды, под чертой - то же для нагреваемой воды. Дополнительный канал со стороны хода нагреваемой воды предназначен для охлаждения плиты и уменьшения теплопотерь. Из рассматриваемых трех теплообменников наиболее целесообразно применение теплообменников РС 0,5Пр, поскольку эти теплообменники надежно работают при рабочем давлении до 1,6 МПа (16 кгс/см ). Пластины попарно сварены по контуру, образуя блок. Между двумя сваренными пластинами имеется закрытый (сварной) канал для греющей воды. Разборные каналы допускают давление в них до 1 МПа (10 кгс/см ). л Л Таблица 2 Техническая характеристика и основные параметры пластинчатых теплообменных аппаратов Тип пластины Показатель 0,3р Тип аппарата Расход теплоносителя (не более), м3/ч Номинальная площадь поверхности теплообмена аппарата, м2, и исполнение на раме: консольной (исполнение 1) Двухопорный (исполнение 2) Трехопорный с промежуточной плитой (исполнение 3) Расчетное давление, МПа (кгс/см ) 0,5Пр 0,6р Разборный Полуразборный 50 200 200 От 3 до 10 От 10 до 25 - От 12,5 до 25 От 31,5 до 160 От 31,5 до 140 - от 200 до 300 от 160 до 320 1(10) 1(10) 1,6(16); 2,5(25) Теплообменники типа Р 0,3р могут применяться в системах теплоснабжения при отсутствии теплообменников типа РС 0,5Пр и параметрах теплоносителей до 1,0 МПа (до 10 кгс/см ), до 150 °С и перепаде давлений между теплоносителями не более 0,5 МПа (5 кгс/см2). Применение теплообменников типа Р 0,6р (титан) в системах теплоснабжения ограничено и допустимо только при отсутствии теплообменников РС 0,5Пр и Р 0,3р при параметрах теплоносителей не более 0,6 МПа (6 кгс/см ), до 150 °С и перепаде давлений теплоносителей не более 0,3 МПа (3 кгс/см2). л Л Методика теплового и гидравлического расчета пластинчатого водоподогревателя Методика расчета пластинчатых водоподогревателей может основываться на следующих начальных условиях: - известны располагаемые напоры теплоносителей; - задается оптимальная скорость нагреваемой воды. В первом случае методика базируется на использовании в них всего располагаемого напора теплоносителей с целью получения максимальной скорости каждого теплоносителя и соответственно максимального значения коэффициента теплопередачи. В втором случае при неизвестных располагаемых напорах принимается значение оптимальной скорости нагреваемой воды (0,4 м/с), при этом потери давления по нагреваемой воде, как и в случае кожухотрубного теплообменника, составят 100-150 кПа. Ниже приводится последовательность расчета пластинчатого теплообменника. 1. В первом случае оптимальное соотношение числа ходов для греющей Х\ и нагреваемой Х2 воды находится по формуле ч0,636 Хдр ч0,364 1000- С гр (3.47) Если соотношение ходов получается >2, то для повышения скорости воды целесообразна несимметричная компоновка, т. е. число ходов теплообменивающихся сред будет неодинаковым. При несимметричной компоновке получается смешанное движение потоков: в части каналов противоток, в части - прямоток, что снижает температурный напор установки по сравнению с противоточным характером движения теплообменивающихся сред, который имеет место при симметричной компоновке, и в определенной степени уменьшает выгоду от повышения скорости воды при несимметричной компоновке. Поэтому для исключения смешанного тока теплоносителей более эффективно водоподогревательную установку собирать из двух или нескольких раздельных теплообменников с симметричной компоновкой, включенных последовательно по теплоносителю, у которого получается большее число ходов, и параллельно по другому теплоносителю. При этом обвязка соединительными трубопроводами должна обеспечить противоток в каждом теплообменнике. 8год грёющйгв L? г £(//71tJ f* В ы х о д раърёёйём оа 5йЗ$( I л 1 3*>хо£ ер&ющеёй ттоивситсл/г ± Ь $*ад "QSpeSxttfQu Веды Симметричная компоновка пластинчатого водоподогревателя, обозначение Сх4/5 Зыход г^?>йщяи л к п ю л к и /ггл т? $ла& apetouttrQ ,'7ГёРЯОМfu'fflff*г —*■ Зылвё нт/я/агной §шди —щ - Д х о д Зады н а гм й а ен а й Несимметричная компоновка пластинчатого водоподогревателя - С х (2 + 2)/5 2. При расчете пластинчатого водоподогревателя оптимальная скорость принимается, исходя из получения таких же потерь давления в установке по нагреваемой воде, как при применении кожухотрубного водоподогревателя 100-150 кПа, что соответствует скорости воды в каналах WonT = 0,4 м/с. Поэтому, выбрав тип пластины рассчитываемого водоподогревателя горячего водоснабжения, по оптимальной скорости находим требуемое количество каналов по нагреваемой воде тн\ С. max ти = --------- Е-----------, К ш -/к-Р-3600 (3.48) гд е/к - живое сечение одного межпластинчатого канала. 3. Компоновка водоподогревателя симметричная, т. е. тгр= тя. Общее живое сечение каналов в пакете по ходу греющей и нагреваемой воды /гр —/н —^н/к, ^ • (3.49) 4. Находим фактические скорости греющей и нагреваемой воды: w rp = -----^ГВС----3600-Лр-р / /3 50ч ^тах W H= ------ 1------- , м/с. 3600-/н -р (3.51) В случае если соотношение ходов, определенное по формуле (3.47), оказалось >2 (при подстановке АРн = 1 0 0 кПа, а АР^ = 40 кПа - для 1-й ступени), водоподогреватель собирается из двух раздельных теплообменников и более. В формулах (3.50) или (3.51) расход того теплоносителя, у которого получилось меньше ходов, уменьшается соответственно в 2 раза и более. 5. Коэффициент теплоотдачи а , от греющей воды к стенке пластины а : = 1,16А 23000 + 283*5 “ 0,бЗ^ф)2V j 73, Вт/(м2-°С), где А (3.52) коэффициент, зависящий от типа пластин; + /‘гр /^Р = вх 2 ВЫХ, °с. (3.53) 6. Коэффициент тепловосприятия а 2 от стенки пластины к нагреваемой воде принимается по формуле а 2 = 1,16А 23000 + 283?* - 0 ,6 з ( ^ ) ^ Ж н0’73, Вт/(м2-°С), ггт^ /Н _ 1ДС «ср - tвх H + t вых n (3.54) , ор 7. Коэффициент теплопередачи К к = 1 ------Г— S - ’ BlV - ° C ) , ± + ± + Ёз1 (*1 ^2 ^ст (3.55) где Р - 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. 8. При заданной величине расчетной производительности ^ и по полученным значениям коэффициента теплопередачи К и температурному напору Л/Ср определяется необходимая поверхность нагрева ! \ р. При сборке водоподогревателя из двух раздельных теплообменников и более теплопроизводительность уменьшается соответственно в 2 раза и более. 9. Количество ходов в теплообменнике F х = ^ + f (з.5 б) ' Упл где /ш - поверхность нагрева одной пластины, м2. Число ходов округляется до целой величины. В одноходовых теплообменниках четыре штуцера для подвода и отвода греющей и нагреваемой воды располагаются на одной неподвижной плите. В многоходовых теплообменниках часть штуцеров должна располагаться на подвижной плите, что вызывает некоторые сложности при эксплуатации. Поэтому целесообразней вместо устройства многоходового теплообменника разбить его по числу ходов на раздельные теплообменники, соединенные по одному теплоносителю последовательно, а по другому - параллельно, с соблюдением противоточного движения. 10. Действительная поверхность нагрева всего водоподогревателя определяется по формуле F = (2т ■X - , м2. (3.57) 11. Потери давления АР в водоподогревателях определяются по формулам: • для нагреваемой воды АРН = ФБ(33- 0,08*« ) w i c 5X , кПа; (3.58) • для греющей воды А,рГр = ф Б (з З -0 ,0 8 ^ )^ к с 5^ кПа, (3.59) где ф - коэффициент, учитывающий накипеобразование, который для греющей сетевой воды равен единице, а для нагреваемой воды должен приниматься по опытным данным, при отсутствии таких данных можно принимать ф = 1,5-2,0; Б коэффициент, зависящий от типа пластины WH,C. - скорость при прохождении максимального секундного расхода нагреваемой воды. Пример теплового и конструктивного расчета пластинчатого теплообменника Выбрать и рассчитать водоподогревательную установку пластинчатого теплообменника для системы горячего водоснабжения. Исходные данные: Система горячего водоснабжения центрального теплового пункта на 1516 условных квартир (заселенность - 3,5 чел. на квартиру) оборудована пластинчатыми водоподогревателями, присоединенными к тепловой сети по двухступенчатой смешанной схеме. Система отопления присоединена к тепловым сетям по зависимой схеме с автоматическим регулированием подачи теплоты: 1 . Регулирование отпуска теплоты в системе централизованного теплоснабжения принято центральное, качественное по совмещенной нагрузке отопления и горячего водоснабжения. 2. Температура теплоносителя (греющей воды) в тепловой сети, в соответствии с принятым для данной системы теплоснабжения графиком изменения температуры воды, в зависимости от температуры наружного воздуха принята: • при расчетной температуре наружного воздуха для проектирования отопления /р = -26 °С: - в подающем трубопроводе т 1 = 150 °С; - в обратном трубопроводе т2 = 70 °С; • в точке излома графика температуры t'u = -2,3 °С: - в подающем трубопроводе х' 1 = 80 °С; - в обратном трубопроводе т'2 = 42 °С. 3. Температура холодной водопроводной (нагреваемой) воды, поступающей в водоподогреватель I-й ступени, ^ = 2 °С (по данным эксплуатации). 4. Температура воды, поступающей в систему горячего водоснабжения на выходе из II-й ступени водоподогревателя, th = 60 °С. 5. Максимальный тепловой поток на отопление потребителей, присоединенных к ЦТП, Q =5,82-106 Вт. 6 . Расчетная тепловая производительность водоводяных подогревателей б гпвс = 4,57-106 Вт. 7. Максимальный расчетный секундный расход воды на горячее водоснабжение £г = 21,6 л/с. Решение: 1. Максимальный расход сетевой воды на отопление GJ о с(х1 - х 2 ) = 3,6 - 5,82 -106 = 62,5-103 кг/ч. 4,2(150 - 70) 2. Максимальный расход греющей воды на горячее водоснабжение „max 3,6 -0,55 -0 Г Gгвс с(х1 - x2 ) 3,6 -0,55 -4,57 -106 4,2(80 - 42) „ 1n3 57 -10 кг/ч. 3. Для ограничения максимального расхода сетевой воды на ЦТП в качестве расчетного принимается больший из двух расходов, полученных по пп. 1 и 2 : в цш = GJ = 62,5 -103 кг/ч. 4. Максимальный расход нагреваемой воды через I-ю и II-ю ступени водоподогревателя О Г n max 3,6 о ^ - 4,57 л с п -10 1л 66 3 .^max 3,6 ктвс 68 -103 кг/ч. Gгвс ----------------o(tr - 1х) 4 ,2 (6 0 - 2) 5. Проверяем соотношение ходов в теплообменнике I-й ступени по формуле, принимая ДРН= 100 кПа и ДРГР = 40 кПа: О, X2 0,636 , VОгвс У VДРн У 0,636 Г 6 8 -103 Л V62,5-103У 0,364 АРгр 0,364 V100 У 1000 - /снр ______ ср 1000 - /сср гр 1000 -19,5 1000 - 36 0,77. Соотношение ходов не превышает двух, следовательно, принимается симметричная компоновка теплообменника. 6. По оптимальной скорости нагреваемой воды определяем требуемое число каналов: max ч3 6 8 -103 Ог = 19,3. тн = ^опт -/к -Р -3600 0,4 - 0,00245 -103 -3600 7. Общее живое сечение каналов в пакете (т н принимается равным 20 ) /гр = /н = ™н/к = 20 -0,00245 = 0,049 м2. 8. Фактические скорости греющей и нагреваемой воды: 62,5 -10 3 Огвс = 0,35 м/с; W гр = 3600 -/гр -р 3600 -0,049 -103 max 68 -10 3 Ог 0, 385 м/с. W1 3600 -/н -р 3600 -0,049 -103 9. Расчет водоподогревателя I-й ступени: 9.1. Температура нагреваемой воды за водоподогревателем I-й ступени /г =т1 - 5 = 42 - 5 = 37 °С. 9.2. Расчетная производительность водоподогревателя I-й ступени QHI = omax (/п1 - /х )- = 68 -103 -(37 - 2 ) ^4 ,2 Л= 2,76 -106 Вт. V3,6 у 9.3. Расчетная производительность водоподогревателя II-й ступени Q f 1 = £ гп - Q ^ = 4,57 -106 - 2,76 -106 = 1,81 -106 Вт. 9.4. Температура греющей воды на выходе из водоподогревателя II-й ступени т21 и на входе в водоподогреватель I-й ступени т| . п _ . 1 __. 3,6-Qra _ 80 х2 = Х1 = Х1 с -О 3,6-1,81 -106 4,2 -62,5 -10 3 ^°^ 9.5. Температура греющей воды на выходе из водоподогревателя I-й ступени I , 3,6 - Q" 3,6 -4,47 -106 = 80 = 17 С. х2 = Х1 4,2 62,5 -10 с -О 9.6. Среднелогарифмическая разность температур между греющей и нагреваемой водой для I-й ступени водоподогревателя AtI = Д/б - Д/м = ( 5 5 - 37) - (17 - 2 ) _= 16,5 С. ср = 2,3 lg А/б = 2,3lg18 15 9.7. Коэффициент теплоотдачи от греющей воды к стенке пластины А 0,492 [см. табл. 9.1] 0,73 а! = 1,16 -A 23000 + 283 -/сгр - 0,63 -(t£P )2 -Wгр = 1,16 -0,492 - 2300 + 283 -36 - 0,63 -(36)2 0,350,73 = 85 90 Вт / (м 2 -° С). 9.8. Коэффициент теплоотдачи от стенки пластины к нагреваемой воде а 2 = 1,16 -A - 23000 + 283 -/ср - 0,63 - (/ср )2 W^ 73 = 1,16 - 0,492 х х 23000 + 283 -19,5 - 0,63 -19,52 -0,3 50,73 = 80 3 7 Вт / (м 2 - 0С). 9.9. Коэффициент теплопередачи первой ступени К 1 при р = 0,8, К 1= 1 f SCT = 1 0°001 1 = 2638 Вт/(м2-° С). — + — + —ст ------ + —----- + ------а 1 а 2 Хст 8590 16 8037 9.10. ступени Требуемая поверхность нагрева водоподогревателя I-й р1 = _ q L = 2-76 -106 = 63 4 м 2 тр к ' д ^ 2638-16,5 ’ . 9.11. Количество ходов водоподогревателя I-й ступени _ ^тр + / п л __63,4 + 0,6 _ 2 67 = 2 -m -/пл == 2 - 20 -0,6 = , ■ Принимается три хода. 9.12. Действительная поверхность нагрева I-й ступени F 1 = (2 -m -X -1 )- / пл = (2 -20 -3 -1 )- 0,6 = 71,4 м2 9.13. Потери давления I-й ступени водоподогревателя по греющей воде, принимая коэффициент, учитывающий накипеобразование ф = 1 и Б = 3 (см. табл. 9.1), ЛРгр = ф - Б - (3 3 -0 ,0 8 - / грX 75 -X = = 1 -3- ( 3 3 - 0,08- 36)- 0,351,75 -3 = 43,2 кПа. 10. Расчет водоподогревателя II-й ступени. 10.1. Среднелогарифмическая разность температур между греющей и нагреваемой водой для II-й ступени водоподогревателя II = Д/б - Д/м = (8 0 - 60) - (55- 37) = 19 °С Д Р Д/б 1 20 19 С. 2,3 1^ т т 2,3 lg — Д/м 18 10.2. Коэффициент теплоотдачи от греющей воды к стенке пластины а 1 = 1,16 - 0,492 (23000 + 283 -67,5 - 0,63 -67,52 )х х0,350,73 = 10412 Вт/(м2 - 0С). 10.3. Коэффициент тепловосприятия от пластины к нагреваемой воде а 2 = 1,16 -0,492 (23000 + 283 -48,5 - 0,63 -48,52) х х0,3 50,73 = 100 17 Вт / (м 2 - 0С). Л 10.4. Коэффициент теплопередачи второй ступени К , при р = 0,8, К 2 = — ------ 0°5§1------ — = 3096 Вт /(м2" С). + —-----+ 10412 16 10017 10.5. Требуемая поверхность нагрева водоподогревателя II-й ступени FP= = тр 3096 -19 30,8 м2. 10.6. Количество ходов водоподогревателя II-й ступени X = 30,8 + 0,6 = 2 -20 -0,6 Принимается два хода: 10.7. Действительная поверхность нагрева II-й ступени F 11 = (2 -20 -2 -1 )-0 ,6 = 47,4 м2. 10.8. Потери давления II-й ступени по греющей воде Дрр = 1-3 (33 -0 ,0 8 -6 7 ,5 )-0,351,75 -2 = 26,4 кПа. 10.9. Потери давления обеих ступеней водоподогревателя по нагреваемой воде, принимая ф = 1,5, при прохождении максимального секундного расхода воды 21,6 л/с на горячее водоснабжение, ДРн1+11 = 1,5 -3 -(33 - 0,08 -31)' 21,6 -10“3 / 0,049 1,75- 5 = 164 кПа. В результате расчета в качестве водоподогревателя горячего водоснабжения принимаем два теплообменника (I-й и II-й ступени) разборной конструкции (Р ) с пластинами типа 0,6р, толщиной 0,8 мм, из стали 12Х18Н10Т (исполнение 01), на двухопорной раме (исполнение 2К), с уплотнительными прокладками из резины марки 359 (условное обозначение - 10). Поверхность нагрева I-й ступени - 71,4 м2 , II-й ступени - 47,4 м2 . Схема I-й ступени 20 + 20 + 20 V = --------------- ; X 21 + 20 + 20 с схема компоновки II-й ступени Сх = 20+ 20 21+ 20 Условное обозначение теплообменников, указываемое в бланке заказов, будет: I-я ступень: Р0,6р-0,8-71,4-2К-01-10 „ 20 + 20 + 2 0 . = --------------- ; X 21 + 20 + 20 сy II-я ступень: Р0,6р-0,8-47,4-2К-01-10 „ 20 + 20 С Y = --------- . X 21 + 20