Термические и гидравлические характеристики пто. Рекомендации по подбору пластинчатых теплообменников
Общие принципы устройства схем теплоснабжения
Система теплоснабжения представляет собой систему транспортировки тепловой энергии (в виде нагретой воды или пара) от источника тепловой энергии к ее потребителю.
Система теплоснабжения в основном состоит из трех частей: источник тепла, потребитель тепла, тепловая сеть - служащая для транспортировки тепла от источника к потребителю.
- Паровой котел на ТЭЦ или котельной.
- Сетевой теплообменник.
- Циркуляционный насос.
- Теплообменник системы горячего водоснабжения.
- Теплообменник системы отопления.
Роль элементов схемы:
- котельный агрегат - источник тепла, передача теплоты сгорания топлива к теплоносителю;
- насосное оборудование - создание циркуляции теплоносителя;
- подающий трубопровод - подача нагретого теплоносителя от источника к потребителю;
- обратный трубопровод - возврат охлажденного теплоносителя на источник от потребителя;
- теплообменное оборудование - преобразование тепловой энергии.
Температурные графики
В нашей стране принято качественное регулирование отпуска теплоты потребителям. Т. е. не изменяя расход теплоносителя через теплопотребляющую систему, изменяется разность температур на входе и на выходе системы.
Это достигается изменением температуры в подающем трубопроводе в зависимости от температуры наружного воздуха. Чем ниже температура наружного воздуха, тем выше температура в подающем трубопроводе. Соответственно температура обратного трубопровода также изменяется по этой зависимости. И все системы потребляющие тепло проектируются с учетом этих требований.
Графики зависимости температур теплоносителя в подающем и обратном трубопроводе называются температурным графиком системы теплоснабжения.
Температурный график устанавливается источником теплоснабжения в зависимости от его мощности, требований тепловых сетей, требований потребителей. Температурные графики называются по максимальным температурам в подающем и обратном трубопроводах: 150/70, 95/70 …
Срезка графика в верхней части - когда у котельной не хватает мощности.
Срезка графика в нижней части - для обеспечения работоспособности систем ГВС.
Работа систем отопления идет в основном по графику 95/70 для обеспечения средней температуры в отопительном приборе 82,5°С при -30° С.
Если требуемую температуру в подающем трубопроводе обеспечивает источник тепла, то требуемую температуру в обратном трубопроводе обеспечивает потребитель тепла своей теплопотребляющей системой. Если происходит завышение температуры обратной воды от потребителя, то это означает неудовлетворительную работу его системы и влечет за собой штрафы т. к. приводит к ухудшению работы источника тепла. При этом снижается его КПД. Поэтому существуют специальные контролирующие организации, которые отслеживают, чтобы теплопотребляющие системы потребителей выдавали температуру обратной воды по температурному графику или ниже. Однако в некоторых случаях подобное завышение допускается, напр. при установке отопительных теплообменников.
График 150/70 позволят передавать тепло от источника тепла с меньшими расходами теплоносителя, однако в домовые системы отопления нельзя подавать теплоноситель с температурой выше 105°С. Поэтому производят понижение графика, например на 95/70. Понижение производится установкой теплообменника либо подмесом обратной воды в подающий трубопровод.
Гидравлика тепловых сетей
Циркуляция воды в системах теплоснабжения производится сетевыми насосами на котельных и тепловых пунктах. Так как протяженность трасс достаточно велика то разность давления в подающем и обратном трубопроводах, которую создает насос, уменьшается с удалением от насоса.
Из рисунка видно, что для наиболее удаленного потребителя самый малый располагаемый перепад давления. Т. е. для нормальной работы его теплопотребляющих систем необходимо чтобы они имели самое малое гидравлическое сопротивление для обеспечения требуемого расхода воды через них.
Расчет пластинчатых теплообменников для систем отопления
Приготовление отопительной воды может происходить путем нагрева в теплообменнике.
При расчете пластинчатого теплообменника для получения отопительной воды , исходные данные берутся для самого холодного периода, т. е. когда необходимы самые высокие температуры и соответственно самое большое теплопотребление. Это наихудший режим для теплообменника, рассчитанного на отопление.
Особенностью расчета теплообменника для системы отопления является завышенная температура обратной воды по греющей стороне. Это допускается специально т. к. любой поверхностный теплообменник принципиально не может охладить обратную воду до температуры графика, если по нагреваемой стороне на вход в теплообменник поступает вода с температурой графика. Обычно допускается разница 5-15°С.
Расчет пластинчатых теплообменников для систем ГВС
При расчете пластинчатых теплообменников для систем горячего водоснабжения исходные данные берутся для переходного периода, т. е. когда температура подающего теплоносителя низка (обычно 70°С), холодная вода имеет самую низкую температуру (2-5°С) и при этом еще работает система отопления - это май-сентябрь месяцы. Это наихудший режим для теплообменника ГВС.
Расчетная нагрузка для систем ГВС определяется исходя из наличия на объекте, где устанавливаются теплообменники аккумуляторных баков.
При отсутствии баков расчет пластинчатых теплообменников производится на максимальную нагрузку. Т. е. теплообменники должны обеспечивать нагрев воды и при максимальном водоразборе.
При наличии аккумуляторных баков пластинчатые теплообменники рассчитываются на среднечасовую нагрузку. Аккумуляторные баки пополняются постоянно и компенсируют пиковый водоразбор. Теплообменники должны обеспечивать только подпитку баков.
Соотношение максимальной и среднечасовой нагрузок достигает в некоторых случаях 4-5 раз.
Обращаем Ваше внимание, что расчет пластинчатых теплообменников удобно производить в собственной
Рассчитываем коэффициент 1 со стороны греющего пара для случая конденсации на пучке n вертикальных труб высотой Н:
=
2,04
=
2,04
=
6765 Вт/(м 2 К),
(10)
здесь , , , r физические параметры конденсата при температуре пленки конденсата t к, Н – высота нагревательных труб, м; t – перепад температур между греющим паром и стенками труб (принимаем в пределах 3…8 0 С).
Значения функции А t для воды при температуре конденсации пара
|
Температура конденсации пара t к, 0 С | ||||||
О правильности расчетов судят, сопоставляя полученное значение 1 и его предельные величины, которые приведены в п. 1.
Рассчитаем коэффициент теплоотдачи α 2 от стенок труб к воде.
Для этого необходимо выбрать уравнение подобия вида
Nu = ARe m Pr n (11)
В зависимости от величины числа Re определяют режим течения жидкости и выбирают уравнение подобия.
(12)
Здесь n– число труб на 1 ход;
d вн = 0,025 - 20,002 = 0,021 м – внутренний диаметр трубы;
При Re > 10 4 имеем устойчивый турбулентный режим движения воды. Тогда:
Nu = 0,023 Re 0,8 Pr 0,43 (13)
Число Прандтля характеризует соотношение физических параметров теплоносителя:
=
= 3,28. (14)
, , , с – плотность, динамическая вязкость, теплопроводность и теплоемкость воды при t ср.
Nu = 0,023 26581 0,8 3,28 0,43 = 132,8
Число Нуссельта характеризует теплоотдачу и связано с коэффициентом 2 выражением:
Nu
=
, 
2
=
=
= 4130 Вт/(м 2 К)
(15)
С учетом значений 1 , 2 , толщины стенки трубы = 0,002 м и ее теплопроводности ст, определяем коэффициент К по формуле (2):
=
= 2309 Вт/(м 2 К)
Сопоставляем полученное значение К с пределами для коэффициента теплопередачи, которые были указаны в п 1.
Определяем площадь поверхности теплообмена из основного уравнения теплопередачи по формуле (3):
=
= 29 м 2 .
Вновь по таблице 4 выбираем стандартный теплообменник:
площадь поверхности теплообмена F = 31 м 2 ,
диаметр кожуха D = 400 мм,
диаметр труб d = 25×2 мм,
число ходов z = 2,
общее число труб N = 100,
длина (высота) труб H = 4 м.
Запас площади
(запас площади должен быть в пределах 5…25%).
4. Механический расчет теплообменника
При расчете на внутреннее давление толщина стенки корпуса к проверяется по формуле:
к
=
+ С, (16)
где р – давление пара 4·0,098 = 0,39 Н/мм 2 ;
D н – наружный диаметр кожуха, мм;
= 0,9 коэффициент прочности сварного шва;
доп = 87…93 Н/мм 2 – допускаемое напряжение для стали;
С = 2…8 мм – прибавка на коррозию.
к
=
+ 5 = 6 мм.
Принимаем нормализованную толщину стенки 8 мм.
Трубные решетки изготавливаются из листовой стали. Толщина стальных трубных решеток берется в пределах 15…35 мм. Она выбирается в зависимости от диаметра развальцованных труб d н и шага труб .
Расстояние между осями труб (шаг труб) τ выбирают в зависимости от наружного диаметра труб d н:
τ = (1,2…1,4)·d н, но не менее чем τ = d н + 6 мм.
Нормализованный шаг для труб d н = 25 мм равен τ = 32 мм.
р
=
.
При заданном шаге 32 мм толщина решетки должна быть не менее
р
=
= 17,1 мм.
Окончательно принимаем р = 25 мм.
При расчете фланцевых соединений задаются размером стягивающего болта. Принимаем во фланцевом соединении для аппаратов с диаметром D в = 400…2000 мм стальной болт М16.
Определим допустимую нагрузку на 1 болт при затяжке:
q б = (d 1 – c 1) 2 , (17)
где d 1 = 14 мм – внутренний диаметр резьбы болта;
с 1 = 2 мм – конструктивная прибавка для болтов из углеродистой стали;
= 90 Н/мм 2 – допустимое напряжение на растяжение.
q б
=
(14
– 2) 2
90 = 10174 Н.
Цель изучения
Чтобы понимать, каким образом можно модифицировать ПТО для оптимизации производительности при заданных условиях, важно знать его термические и гидравлические свойства. Очевидно, нет смысла обеспечивать более высокий перепад давлений в ПТО, если нельзя этим воспользоваться, т.е. если нельзя уменьшить размеры ПТО или увеличить его производительность. Прекрасный способ наглядно показать свойства ПТО заключается в изучении зависимости общей площади поверхности теплообмена от расхода жидкости. Расход жидкости будем изменять от нуля до бесконечности, как показано ниже в примере.Тепловая нагрузка
Конкретные значения , запаса площади поверхности теплообмена или перепада давлений не имеют большого значения, однако, рассуждения легче проводить с реальными числами, чем с абстрактными символами. Хотя здесь говорится о в системе «вода - вода», те же рассуждения справедливы для конденсатора, для системы с гликолем и т.д.Оптимально спроектированный ПТО
Это означает следующее:- Запас площади поверхности теплообмена, М, точно равен заданному значению 5%. Другими словами, фактическая площадь поверхности теплообмена на 5% больше расчетного значения.
- Перепад давлений должен быть полностью использован, т.е. равен заданному значению 45 кПа.
Изменение расхода воды
Теперь выясним, как изменяется общая площадь поверхности теплообмена при изменении расхода воды, Х, от нуля до бесконечности. Мы рассмотрим эту зависимость при двух условиях - при постоянном перепаде давления или при постоянном запасе площади поверхности теплообмена.Перепад давлений
Перепад давлений не должен превышать 45 кПа при изменении расхода воды от нуля до бесконечности. Какие-либо требования к значению теплопередачи отсутствуют. Обратимся к рисунку 1. Зависимость очень простая. Если расход воды равен нулю, то число пластин - и площадь - равны нулю. Если расход увеличивается, необходимо добавлять новые пластины, точнее - новые каналы. Вначале площадь приблизительно линейно зависит от расхода. Приблизительно, поскольку увеличение поверхности происходит, конечно же, дискретно, по одному каналу за один шаг. График должен быть ступенчатой линией, но здесь для простоты картины будем считать эту линию непрерывной.По мере возрастания расхода появляется новый эффект: падение давления в соединительных элементах. В результате этого эффекта уменьшается перепад давлений, приходящийся на каналы теплообменника. В соответствии с этим уменьшением потребуется пропорционально увеличивать число каналов. Кривая отклоняется вверх от прямой линии. При некотором значении расхода воды весь имеющийся перепад давлений будет теряться в соединительных элементах, и ничего не останется на каналы. Другими словами, потребуется бесконечное число каналов, чтобы пропустить этот расход воды. На графике это выражается в появлении вертикальной асимптоты.
Однако задолго до того как это произойдет, скорее всего, будет добавлен второй теплообменник. Добавление второго аппарата снизит потери давления в соединительных элементах, значит, большая часть перепада давления останется на каналы. Число каналов при этом скачкообразно уменьшится, как показано на рис. 2.
Будем увеличивать теперь расход дальше и добавим третий пТо, при этом снова скачком уменьшится число каналов. Так будет повторяться в четвертый, пятый… раз. Кривая постепенно становится все более гладкой, приближаясь к прямой линии по мере увеличения расхода и добавления блоков. Внимание! Охлаждаемая сторона теплообменника преднамеренно не рассматривается на этом этапе. Мы вернемся к этому позже.
Запас площади поверхности теплообмена
Запас должен быть не меньше 5%. Какие-либо ограничения на перепад давления отсутствуют. Обратимся к рис. 3. Нам удобнее будет начать рассмотрение с бесконечного расхода воды, а затем его уменьшать. Внимание! В предыдущем обсуждении мы добавляли каналы для поддержания определенного перепада давлений. Здесь мы должны увеличивать площадь поверхности теплообмена, чтобы обеспечить требуемую тепловую нагрузку.В случае бесконечного расхода температура воды на выходе равна температуре на входе, т.е. средняя (СРТ) максимальна. Это соответствует малой площади поверхности теплопередачи, большой скорости воды в каналах и высокому коэффициенту теплопередачи К. Уменьшение расхода воды сопровождается двумя эффектами, каждый из которых приводит к увеличению площади:
- СРТ уменьшается, сначала медленно, затем быстрее.
- Расход воды через каждый канал уменьшается, а значит, уменьшается и коэффициент К.
В бесконечно большом теплообменнике вода нагрелась бы до 12°С, т.е. температура воды возросла бы на 10 К. Это соответствует расходу воды
Х = 156,2/(4,186 x 10) = 3,73 кг/с.
В том случае, когда поддерживался постоянный перепад давлений, мы могли уменьшать площадь за счет добавления новых блоков. Можем ли мы сделать что-нибудь подобное сейчас? Главная причина, вынуждающая увеличивать поверхность теплообмена, заключается в падении СРТ. Мы не имеем возможности увеличить СРТ при заданных расходах и температурах. Напротив, теплообменник может ухудшить СРТ по сравнению с режимом противотока, даже если ПТО хорошо спроектирован в этом отношении.
Однако другая причина, вынуждающая увеличивать площадь,- снижение К из-за уменьшения скорости потока в каналах. Разделим необходимую площадь поверхности теплообмена между двумя аппаратами и соединим их последовательно. Скорость потока в каналах удвоится, что увеличит значение К и позволит уменьшить площадь. Для еще меньших расходов площадь может быть поделена между тремя, четырьмя…последовательными аппаратами. Это несколько замедлит рост площади, но с приближением разности температур к нулю площадь стремится к бесконечности.
Прежде чем купить теплообменник заказчики сравнивают предложения разных поставщиков и производителей, рассылая им исходные данные. Компания «Астера», опытный , представляет шесть характеристик, которые влияют на конечную стоимость товара и на которые нужно обратить внимание в первую очередь, чтобы желание сэкономить не обернулось двойными тратами.
Стоимость теплообменников складывается из инженерных расходов и коммерческой составляющей. Данная статья раскрывает первый аспект.
- Толщина теплообменных пластин и материал их изготовления
Толщина пластины – это первое, на что обращаешь внимание при выборе теплообменника. Чем она толще, тем выше стоимость оборудования. Связано это с двумя факторами:
- Больше масса металла для выпуска пластин;
- Больше пластин для качественной теплопередачи через толщу стенки и достижения требуемой мощности.
Средняя толщина пластины – 0,5 мм. Теплообменники большого типоразмера с ДУ от 150 и требующие высокого рабочего давления оснащаются пластинами 0,6 мм. При давлении 10 кгс/см² и ДУ до 150 допустима толщина 0,4 мм. Чем тоньше пластины, тем меньше ресурс теплообменного оборудования.
В качестве материала для пластины чаще используется нержавеющая сталь марки AISI316. Тем не менее некоторые производители заменяют его сортом AISI304. Он стоит дешевле, в нем меньше никеля и молибдена, значит, материал больше подвержен коррозии. Если теплообменник эксплуатируется в идеальных с точки зрения среды условиях, то это допустимо. Но когда дело касается системы горячего водоснабжения (а там используется хлор), то есть риск, что оборудование прослужит недолго. Чтобы не попасть впросак, рекомендуется внимательно изучить и посмотреть, из какой стали выполнены пластины.
- Рабочее давление
От рабочего давления зависят тип, габариты и цена на теплообменник. Чем оно ниже, тем дешевле оборудование. Поэтому нужно заранее определиться, какой параметр требуется. Минимальное рабочее давление составляет 6 кгс/см². Соответственно такой аппарат наиболее доступный по цене, потому что в нем использованы тонкие плиты и пластины.
- Коэффициент передачи тепловой энергии
Для расчета коэффициента теплопередачи используется несколько данных:
- Мощность теплообменника;
- Температурная дельта;
- Величины запаса поверхности и расхода энергии;
- Диаметр присоединения;
- Скорость перемещения жидкости и т.д.
Этот показатель рассчитывается по формуле. Чем он выше, тем лучше производительность теплообменника. При увеличении скорости перемещения жидкости в каналах повышается теплообмен. Скорость можно увеличить, сократив количество каналов, то есть пластин.
Минусом высокой скорости течения жидкости является более быстрое отложение накипи на стенках. Поэтому тепловое оборудование будет стоить дешевле, но возрастет стоимость эксплуатации за счет забивания каналов солями магния и кальция. Время от времени будет требоваться разборная чистка.
Эффективен, но его коэффициент теплопередачи в реальности не превышает 7000 Вт/м.кв 2 К. Поэтому если производитель предлагает оборудование с коэффициентом 10000 Вт/м.кв 2 К, то это должно насторожить.
- Запас поверхности для теплообмена
Хороший теплообменник должен иметь 10-15% запаса теплообменной поверхности. Если производитель поставил себе цель удешевить продукцию, то данный параметр будет приближаться к нулю. По мнению экспертов в области теплообменного оборудования, нулевое значение является обманом покупателя, потому что при погрешности таких показателей, как расчет нагрузки, недогрев до оптимальной температуры теплоносителя, аппарат может просто-напросто не работать. Даже загрязнение поверхности будет отрицательно сказываться на его работоспособности.
- Потеря давления
Δ р представляет собой величину потери давления, или напора. Она измеряется в м.в.с. либо в Па. Заказчик указывает необходимый показатель в опросном листе.
Если процесс эксплуатации требует минимального снижения или потери давления в процессе работы, то теплообменник должен быть оснащен большим количеством пластин. Если изменение напора не имеет большого значения, то можно ограничиться более компактным, значит, более дешевым теплообменным оборудованием.
Как влияет количество пластин на потерю давления? Этому есть довольно простое объяснение. Чем больше пластин, тем больше каналов между пластинами. Для прохождения определенному объему жидкости оказывается меньше сопротивления, поэтому и потеря давления незначительна.
При покупке оборудования нужно быть внимательным и сравнивать показатель потери давления с данными, указанными в опросном листе. В противном случае некоторые недобросовестные производители могут указать немного завышенные значения и удешевить для покупателя оборудование. Но обычно высокая потеря давления весьма нежелательна.
- Условный диаметр
Этот показатель иногда называют диаметром присоединения. Его нужно определить по формуле. Он зависит от того, какие параметры заданы потенциальным заказчиком. Методом расчета выявляется, требуется ли однозначный показатель ДУ или в качестве варианта есть возможность использовать и второй размер, который отличается условным диаметром. В последнем случае если допустимо меньшее сечение, на нем и останавливаются. Так, теплообменник с ДУ65 дешевле оборудования с ДУ100. Это связано с тем, что чем больше сечение, тем больше и пластина теплового оборудования.
Нужно учитывать следующий момент: когда сужается сечение в трубах, увеличивается скорость течения жидкости. В результате будет дополнительно падать давление. Если предстоит долгая эксплуатация теплового оборудования, то пластина, примыкающая к проходному сечению, может разрушаться.
Вывод
Для грамотного сравнения предлагаемых вариантов от заводов по выпуску теплообменников рекомендуем всегда иметь в виду соответствие оборудования поставленным перед ним целям. А именно:
- Сталь и толщина пластины: лучше сталь сорта AISI316 с толщиной не меньше полумиллиметра.
- Давление в пластинах должно отвечать требуемым характеристикам.
- Чем ближе коэффициент теплопередачи к показателю 7000 Вт/м.кв 2 К, тем лучше.
- Оптимальный запас поверхности – 10-15%.
- Параметр потери давления зависит от условий эксплуатации и определяется заказчиком.
- Диаметр присоединения зависит от поставленных задач, но нужно иметь в виду, что чем меньше ДУ, тем больше будет теряться давление и раньше будут изнашиваться пластины.
Компания «Астера» надеется, что статья будет вам полезной и на основании указанных шести характеристик вы сделаете верный выбор теплообменного оборудования.