Контрольная работа: расчет теплообменного аппарата труба в трубе

Пример расчета теплообменника

Основной целью проведения расчета является вычисление необходимой площади теплообменной поверхности. Тепловая (холодильная) мощность обычно задается в техзадании, однако в нашем примере мы рассчитаем и её, для, скажем так, проверки самого техзадания. Иногда бывает и так, что в исходные данные может закрасться ошибка. Одна из задач грамотного инженера – эту ошибку найти и исправить. В качестве примера выполним расчет пластинчатого теплообменника типа «жидкость – жидкость». Пусть это будет разделитель контуров (pressure breaker) в высотном здании. Для того чтобы разгрузить оборудование по давлению, при строительстве небоскрёбов очень часто применяется такой подход. С одной стороны теплообменника имеем воду с температурой входа Твх1 = 14 ᵒС и выхода Твых1 = 9 ᵒС, и с расходом G1 = 14 500 кг/ч, а с другой – тоже воду, но только вот с такими параметрами: Твх2 = 8 ᵒС, Твых2 = 12 ᵒС, G2 = 18 125 кг/ч.

Необходимую мощность (Q0) рассчитаем по формуле теплового баланса (см. рис. выше, формула 7.1), где Ср – удельная теплоёмкость (табличное значение). Для простоты расчетов возьмём приведённое значение теплоёмкости Срв = 4,187 [кДж/кг*ᵒС]. Считаем:

Q1 = 14 500 * (14 – 9) * 4,187 = 303557,5 [кДж/ч] = 84321,53 Вт = 84,3 кВт – по первой стороне и

Q2 = 18 125 * (12 – 8) * 4,187 = 303557,5 [кДж/ч] = 84321,53 Вт = 84,3 кВт – по второй стороне.

Обратите внимание, что, согласно формуле (7.1), Q0 = Q1 = Q2, независимо от того, по какой стороне проведён расчет. Далее по основному уравнению теплопередачи (7.2) находим необходимую площадь поверхности (7.2.1), где k – коэффициент теплопередачи (принимаем равным 6350 [Вт/м2]), а ΔТср.лог

– среднелогарифмический температурный напор, считаемый по формуле (7.3):

Далее по основному уравнению теплопередачи (7.2) находим необходимую площадь поверхности (7.2.1), где k – коэффициент теплопередачи (принимаем равным 6350 [Вт/м2]), а ΔТср.лог. – среднелогарифмический температурный напор, считаемый по формуле (7.3):

ΔТ ср.лог. = (2 – 1) / ln (2 / 1) = 1 / ln2 = 1 / 0,6931 = 1,4428;

F то = 84321 / 6350 * 1,4428 = 9,2 м2.

В случае когда коэффициент теплопередачи неизвестен, расчет пластинчатого теплообменника немного усложняется. По формуле (7.4) считаем критерий Рейнольдса, где ρ – плотность, [кг/м3], η – динамическая вязкость, [Н*с/м2], v – скорость среды в канале, [м/с], d см – смачиваемый диаметр канала .

По таблице ищем необходимое нам значение критерия Прандтля и по формуле (7.5) получаем критерий Нуссельта, где n = 0,4 – в условиях нагрева жидкости, и n = 0,3 – в условиях охлаждения жидкости.

Далее по формуле (7.6) вычисляется коэффициент теплоотдачи от каждого теплоносителя к стенке, а по формуле (7.7) считаем коэффициент теплопередачи, который и подставляем в формулу (7.2.1) для вычисления площади теплообменной поверхности.

В указанных формулах λ – коэффициент теплопроводности, ϭ – толщина стенки канала, α1 и α2 – коэффициенты теплоотдачи от каждого из теплоносителей стенке.

Приступаем к монтажу

Последовательность выполнения работ зависит от конструктивных особенностей теплообменника.

Установка прибора с регистром

При монтаже в старую печь придется разобрать часть кладки. Последовательность выполнения работ выглядит следующим образом:

1. Готовим фундамент для змеевика прямо в полости топки.
2. Устанавливаем змеевик.
3. Укладываем разобранный ряд кирпичей, оставляя места для входной и выходной части труб.
4. Подключаем теплообменник к системе отопления.

До начала эксплуатации резервуар стоит в обязательном порядке проверить на герметичность. Убедиться в отсутствии протечек можно путем заполнения его водой, желательно, под давлением.

Монтаж устройства с емкостью

Наилучший вариант для печи или камина. Изготавливается из металлического бака и двух медных трубок. Объем бака, как правило, составляет около 20 литров. При отсутствии готового изделия резервуар достаточного объема изготавливается своими руками путем сваривания листовой стали.

Для изготовления теплообменника следует использовать материал толще 2,5 мм. Сварку стоит производить таким образом, чтобы толщина формируемого шва была минимальной.

Резервуар необходимо установить на 1 метр выше уровня пола, но не дальше 3 метров от печи. В баке проделываются два отверстия: одно около дна, второе – в наивысшей точке с противоположной стороны. Эффективность теплоотдачи зависит от расположения магистралей.

Необходимо стремиться к тому, чтобы минимальное отклонение нижнего отвода в направлении пола составляло 2 градуса. Верхний должен быть подключен под углом 20 градусов в противоположном направлении.

Производится монтаж сливного крана в накопительный бак. Предусматривается еще один кран, предназначенный для слива всей системы, который устанавливается в самой нижней точке. После проверки герметичности система готова к эксплуатации. Эффективность такой печи с теплообменником можно будет по достоинству оценить в холодное время года.

Пример 3. Для экструдеров, термопластавтомата (ТПА).

хладоносителя

Экструдер в количестве 2шт. Расход ПВХ на одном составляет 100кг/час. Охлаждение ПВХ с +190°С до +40°С

Q (кВт) = (М (кг/час) х Сp (ккал/кг*°С) х ΔT х 1,163)/1000;

Q (кВт) = (200(кг/час) х 0.55 (ккал/кг*°С) х 150 х 1,163)/1000=19.2 кВт.

Миксер горячего смешения в количестве 1 шт. Расход ПВХ 780кг/час. Охлаждение с +120°С до +40°С:

Q (кВт) = (780(кг/час) х 0.55 (ккал/кг*°С) х 80 х 1,163)/1000=39.9 кВт.

ТПА (термопластавтомат) в количестве 2шт. Расход ПВХ на одном составляет 2,5 кг/час. Охлаждение ПВХ с +190°С до +40°С:

Q (кВт) = (5(кг/час) х 0.55 (ккал/кг*°С) х 150 х 1,163)/1000=0.5 кВт.

Итого получаем суммарную холодопроизводительность 59,6 кВт.

Принцип работы чиллера. Схема и устройство

Что это такое и для чего он нужен

Теплообменник – устройство от передачи тепла от нагретой среды к более холодной. Принцип один, конструкций +множество. Теплообменник для дымопровода позволяет отобрать часть энергии отходящих газов и применить ее для обогрева соседнего помещения или нагрева горячей воды.

Устройства для отбора тепла отходящих газов для дымохода можно использовать только в том случае, если труба изготовлена из стали. На современные керамические и сэндвич-конструкции установить теплообменник не получится, так как наружная поверхность утепленной трубы холодная.

Газы, отходящие от современных газовых и пеллетных котлов, негорячие – порядка 200 °С, поэтому получить много тепла от дымохода не получится. От твердотопливных котлов отходят более горячие газы – до 600 °С, и рекуператор позволяет получить довольно значительное количество теплоты для обогрева или нагрева воды.

Максимальное количество тепла от отходящих газов можно получить при эксплуатации не слишком современных традиционных печей, каминов, самодельных буржуек. КПД у этих отопительных приборов небольшой, температура дымовых газов высокая, поэтому немалую часть уходящего тепла можно уловить при помощи теплосъемника. Применение теплосъемников на дымопровод самодельной буржуйки позволяет улавливать до 30-40% энергии дополнительно.

Основная причина установки теплообменника в том, что он позволяет максимально использовать энергию сжигания топлива и экономить расходы на отопление. Кроме того, иногда при отоплении небольших домов экономически нецелесообразно приобретать отопительный прибор с теплообменником и устанавливать систему отопления.

Современный камин или печь хорошо обогревают дома площадью до 70 м² и даже больше, в отоплении нуждаются только некоторые помещения – ванные или дальние спальни, помещения второго этажа или мансарды, вот для их отопления и можно приспособить тепло от рекуператора для дымохода. Иногда теплообменник для дымохода применяют для подогрева воды.

Исследовательские расчеты

Исследовательские расчеты ТОА проводят на основе полученных результатов теплового и поверочного расчетов. Они необходимы, как правило, для внесения последних поправок в конструкцию проектируемого аппарата. Их также проводят с целью корректировки каких-либо уравнений, закладываемых в реализуемой расчетной модели ТОА, полученной эмпирическим путём (по экспериментальным данным). Выполнение исследовательских расчетов предполагает проведение десятков, а иногда и сотен вычислений по специальному плану, разработанному и внедрённому на производстве согласно математической теории планирования экспериментов. По результатам выявляют влияние различных условий и физических величин на показатели эффективности ТОА.

Изготовление теплообменников для горизонтальных котлов

Горизонтальный котел на твердом топливе обычно имеет довольно значительные габариты и предназначается не только для отопления помещения, на его верхней поверхности можно расположить варочную плиту. Самый простой способ своими руками соорудить подобный котел — это использовать металлические трубы, которые собираются по определенной схеме.

Схема работы простого котла с теплообменником.

Прямоугольный теплообменник создается из труб круглого сечения 40 мм и 50 мм, а также труб прямоугольного сечения 60×40 мм. Прямоугольный профиль используется для стыковки труб с круглым сечением. Для этих целей возможно использовать и трубы с круглым сечением, но это очень тяжелый процесс, требующий большого опыта. Толщина стенок всех используемых труб должна быть 4-5 мм.

После того как рассчитали необходимые размеры теплообменника и сделали заготовки труб необходимого размера, в вертикальных стойках, профиле квадратного сечения, вырезают отверстия под круглые трубы. Рассмотрим пример создания котла отопления для дома площадью около 100 м 2. В передних стойках, если смотреть от топочной дверцы, необходимо прорезать 4 отверстия для труб диаметром 50 мм, в задних стойках в грани с шириной 60 мм также прорезают 4 отверстия. В грани с шириной 40 мм прорезают 4 отверстия по 40 мм.

Таким образом, передняя стойка образует отверстие для топочной дверцы, по бокам от нее идут трубы. Задняя стойка обрамляет и стыкует 40 мм трубы. Нужно помнить, чтобы твердотопливный котел правильно функционировал, необходимо предусмотреть трубы для поступления холодной воды и для выхода горячей, которая будет соединяться с системой отопления дома. Отверстие для холодной воды располагаются в нижней части котла, а для вывода горячей — в верхней. Прорезаются они либо газовым, либо сварочным резаком, они должны быть аккуратные, нужно стараться сделать их ровными, наплывы, которые могут образоваться, удаляются при помощи болгарки.

Схема самодельного котла из труб.

Сборка теплообменника котла, работающего на твердом топливе, начинается с торцевых частей. Стойки и трубы выставляются перпендикулярно на ровной поверхности

После того, как передняя и задняя части собраны, начинается приваривание боковых частей, важно следить за перпендикулярностью граней. Лучше всего делать это вдвоем, кто-то удерживает трубу, кто-то приваривает. Следующим пунктом необходимо приварить отрезки труб для подвода и отвода воды

Затем заварить торцевые части прямоугольного профиля, делается это при помощи кусочков металла размером 60×40 мм

Следующим пунктом необходимо приварить отрезки труб для подвода и отвода воды. Затем заварить торцевые части прямоугольного профиля, делается это при помощи кусочков металла размером 60×40 мм.

Очень важно после завершения сварочных работ проверить герметичность швов. Для этого конструкцию нужно установить вертикально, нижнее отверстие закрыть, а через верхнее начать наливать воду. Если протечек не будет, то нужно спустить воду, открыв нижнее отверстие, и можно приступить к монтажу котла

Если протечек не будет, то нужно спустить воду, открыв нижнее отверстие, и можно приступить к монтажу котла.

Результаты

Еще раз подчеркиваем, что мы составили простое техническое задание — сотрудники выбранных компаний ежедневно должны проводить расчеты по таким заявкам. Но результаты оказались неожиданными. Идеально точные расчеты мы получили только от одной компании. Еще в четырех рассчитали теплообменники корректно, но с небольшими недочетами. В расчетах остальных восьми компаний были уже серьезные ошибки.

То есть, почти две трети полученных расчетов оказались неприемлемыми. Такой результат нас несколько шокировал — оказалось, что большинство представленных на рынке компаний халатно относятся к расчетам и не думают о последствиях неправильного выбора теплообменника для клиента.

Проводя это исследование, мы не хотели уличить другие компании в непрофессионализме или попытке намеренно удешевить теплообменник. Мы не сообщим, какие компании из представленного списка прислали неправильные расчеты. Ниже мы подробно расскажем о типичных ошибках в расчетах и о том, какие последствия может вызвать установка неправильно рассчитанного теплообменника.

Конструкция теплообменника (труба в трубе)

Спроектированные по принципу «труба в трубе» аппараты характеризуются следующими особенностями конструкции:

• Во-первых, такие устройства предполагает пакетную компоновку, когда несколько объединенных звеньев располагаются практически бок обок.
• Во-вторых, как устройства поверхностного типа, придерживающиеся принципа труба в трубе теплообменники, собираются путем инсталляции в трубопровод пакета труб меньшего диаметра, сквозь который будет пропускаться охлаждающая или нагревающая среда.
• В-третьих, исходя из принципа непрерывности, трубы теплообменников должны пронизывать внутреннее пространство трубопровода по всей длине транспортирующей системы. Причем для обеспечения ремонта сборку труб и теплообменника, и трубопровода реализуют с помощью разъемных соединений. То есть, всю конструкцию можно разобрать и собрать в любой момент.
• В-четвертых, сечение трубы в транспортирующем канале должно быть больше сечения трубы в канале теплообменника. Ведь помимо возможности инсталлировать теплообменник в трубопровод такое соотношение габаритов позволяет разогнать теплоноситель в охлаждающей или нагревающей системе до максимальной скорости.
• В-пятых, непрерывная схема «труба в трубе» дает возможность прокачивать сквозь систему любой объем транспортируемой жидкости или теплоносителя.

Преимущества теплообменников «труба в трубе»

Опираясь на описанные выше конструктивные особенности, подобные теплообменники приобретают следующий набор преимуществ:

• Такой аппарат гарантирует оптимальный режим транспортировки жидкости. Ведь скорость течения теплоносителя и транспортируемой среды может быть практически любой. Ну а возможные недостатки можно откалибровать путем подбора диаметров труб теплообменника прямо в процессе сборки.
• Теплообменные аппараты  подобного типа не требуют особого внимания в процессе эксплуатации – чистка труб теплообменника и транспортной системы выполняется за считанные минуты. Кроме того, в случае поломки эти устройства можно отремонтировать за пару часов, путем демонтажа поврежденного модуля (отрезка) и установки новой  детали с аналогичными характеристиками.
• Подобная конструкция не имеет ограничений по типу среды, используемой в системе транспортировки или теплообмена. То есть, сквозь подобный теплообменник можно прокачивать и воду, и пар, и вязкие жидкости, и газообразные среды.

Недостатки теплообменников

Впрочем, упомянутые выше особенности конструкции теплообменника являются причиной не только достоинств, но и недостатков.

Причем к числу недостатков схемы «труба в трубе» можно причислить следующее:

• Довольно значительные габариты системы. Ведь внутри транспортирующего канала размещается трубопровод теплообменника, в итоге, для сохранения прежней пропускной способности нужно увеличить диаметр основной (наружной) трубы.
• Высокую стоимость подобной системы. На создание такого теплообменника расходуется достаточно большой объем металла. А сам процесс сборки систем типа труба в трубе» требует привлечения квалифицированных и дорогостоящих специалистов.
• Сложный процесс расчета и проектирования подобных конструкций.

Причем последнему пункту следует уделить особое внимание. Поэтому далее по тексту мы рассмотрим нюансы процесса расчета и проектирования таких аппаратов

Таблица диаметров стальных и полимерных труб.

Условный диаметр (Ду, Dy) – это номинальный размер (в миллиметрах) внутреннего диаметра трубы или его округленная величина, в дюймах.

Условный проход представляет собой округленный номинальный размер внутреннего диаметра. Округляется он всегда только в большую сторону. Определяется величина условного диаметра стальных труб ГОСТом 355-52.

Условные обозначения и ГОСТы:

• DIN / EN – основной евросортамент для стальных труб по DIN2448 / DIN2458
• Трубы стальные водогазопроводные – ГОСТ 3262-75
• Трубы стальные электросварные – ГОСТ 10704-91
• Трубы стальные бесшовные ГОСТ 8734-75 ГОСТ 8732-78 и ГОСТ 8731-74(от 20 до 530 мм).

Расчет теплообменников и различные методы составления теплового баланса

При расчете теплообменников могут использоваться внутренний и внешний методы составления теплового баланса. При внутреннем методе используются величины теплоемкостей. При внешнем методе используются величины удельных энтальпий.

При применении внутреннего метода тепловая нагрузка рассчитывается по разным формулам, в зависимости от характера протекания теплообменных процессов.

Если теплообмен происходит без каких-либо химических и фазовых превращений, а соответственно и без выделений или поглощений тепла.

Соответственно тепловая нагрузка рассчитывается по формуле

Если в процессе теплообмена происходит конденсация пара или испарение жидкости, протекают какие-либо химические реакции, то используется другая форму для вычисления теплового баланса.

При использовании внешнего метода расчет теплового баланса ведется на основании того, что в теплообменный аппарат за какую-то единицу времени поступает и выходит равное количество тепла.
Если при внутреннем методе используются данные о теплообменных процессах в самом агрегате, то при внешнем методе используются данные внешних показателей.

Для расчета теплового баланса по внешнему методу используется формула
.

Под Q1 подразумевается то количество тепла, которое поступает в агрегат и ходит из него за единицу времени.
Под  подразумевается энтальпия веществ, которые входит в агрегат и выходят из него.

Можно также вычислить разность энтальпий для того, чтобы установить то количество тепла, которое было передано между разными средами. Для этого используется формула .

Если же в процессе теплообмена происходили какие-либо химические или фазовые превращения, используется формула.

Механизмы теплопередачи в расчете теплообменников

Теплообмен осуществляется посредством трех основных видов теплопередачи. Это конвекция, теплопроводность и излучение.

При теплообменных процессах, которые протекают по принципам механизма теплопроводности передача тепла происходит как перенос энергии упругих колебаний молекул и атомов. Данная энергия переходит от одних атомов к другим в направлении уменьшения.

При проведении расчетов параметров передачи тепла по принципу теплопроводности используется закон Фурье:.

Для вычисления количества тепла используются данные о времени прохождения потока, площади поверхности, градиенте температуры, а также о коэффициенте теплопроводности. Под градиентом температуры понимается ее изменение в направлении теплопередачи на одну единицу длины.

Под коэффициентом теплопроводности понимается скорость теплообмена, то есть то количество тепла, которое проходит через одну единицу поверхности в единицу времени.

При любых тепловых расчетах учитывается, что самый большой коэффициент теплопроводности имеют металлы. Различные твердые тела имеют гораздо меньший коэффициент. А у жидкостей этот показатель, как правило, ниже, чем у любого из твердых тел.

При расчете теплообменников, где передача тепла от одной среды к другой идет через стенку, также используется уравнение Фурье для получения данных о количестве передаваемого тепла. Оно вычисляется как количество тепла, которое проходит через плоскость с бесконечно малой толщиной:.

Если проинтегрировать показатели температурных изменений по толщине стенки, получится 

Исход из этого получается, что температура внутри стенки падает по закону прямой линии.

Конвекционный механизм передачи тепла: расчеты

Еще один механизм передачи тепла – конвекция. Это передача тепла объемами среды посредством их взаимного перемещения. При этом передача тепла от среды к стенке и наоборот, от стенке к рабочей среде называется теплоотдачей. Чтобы определить количество тепла, которое передается, используется закон Ньютона

В данной формуле a — это коэффициент теплоотдачи. При турбулентном движении рабочей среды этот коэффициент зависит от многих дополнительных величин:

• физических параметров текучей среды, в частности теплоемкости, теплопроводности, плотности, вязкости;
• условий омывания газом или жидкостью теплоотдающей поверхности, в частности скорости текучей среды, ее направления;
• пространственных условий, которые ограничивают поток (длина, диаметр, форма поверхности, ее шероховатости).

Следовательно, коэффициент теплоотдачи — функция многих величин, что показано в формуле

Метод анализа размерностей позволяет вывести функциональную связь критериев подобия, которые характеризуют теплоотдачу при турбулентном характере движения потока в гладких, прямых и длинных трубах.

Это вычисляется по формуле .

Коэффициент теплоотдачи в расчете теплообменников

В химической технологии нередко встречаются случаи обмена тепловой энергией между двумя текучими средами через разделяющую стенку. Теплообменный процесс проходит три стадии. Тепловой поток для установившегося процесса остается неизменным.

Проводится расчет теплового потока, проходящего от первой рабочей среды к стенке, затем через стенку теплопередающей поверхности и затем от стенки ко второй рабочей среде.

Соответственно для проведения расчетов используется три формулы:

В результате совместного решения уравнений получаем

Величина

и есть коэффициент теплопередачи.

Расчет средней разности температур

Когда при помощи теплового баланса определено необходимое количество тепла, необходимо провести расчет поверхности теплообмена (F).

При расчете необходимой теплообменной поверхности используется то же уравнение, что и при предыдущих расчетах:

В большинстве случаев температура рабочих сред будет меняться в процессе протекания теплообменных процессов. Значит вдоль теплообменной поверхности будет меняться разность температур. Поэтому проводится расчет средней разности температур. А в связи с тем, что изменение температур не линейно, рассчитывают логарифмическую разность. В отличие от прямоточного потока, при противоточном движении рабочих сред необходимая площадь теплообменной поверхности должна быть меньше. Если в одном и том же ходу теплообменника используется и прямоточный, и противоточный потоки, разность температур определяется, исходя из соотношения.

Расчеты мощности

Самостоятельно рассчитать мощность рекуператора при отсутствии исходных данных (мощности печи, температуры и количества исходящих газов в единицу времени, площади соприкосновения теплообменника и металла дымохода, скорости прохождения воздуха или воды через устройство) практически невозможно . Можно измерить мощность уже смонтированного теплообменника.

Ориентировочно стоит рассчитывать на то, что теплообменник на дымопроводе твердотопливной печи или камина прогреет пару небольших радиаторов, повысит температуру в гараже или сделает теплее комнату в мансарде, предбанник в бане.

Размеры труб бурильных толстостенных ТБТ-К, ТБТ-П, ТБТ-К1, ТБТ-КТ1, ТБТ-П1, ТБТ-ПТ1, ТБТ-К2, ТБТ-КТ2, ТБТ-П2, ТБТ-ПТ2

Длина ТБТ – 9,45 м; 8,3 м.

ТБТ (толстостенные бурильные трубы) – типы исполнений аналогичны HWDP-I, HWDP-II, HWDP-III.

Другие расчеты

Выполняя расчет площади теплообменника, не стоит забывать и о сопротивлении материалов. Прочностные расчеты ТОА включают проверку проектируемого агрегата на напряжение, на кручение, на прикладывание максимально допустимых рабочих моментов к деталям и узлам будущего теплообменника. При минимальных габаритах изделие должно быть прочным, устойчивым и гарантировать безопасную работу в различных, даже самых напряженных условиях эксплуатации.

Динамический расчет проводится с целью определения различных характеристик теплообменного аппарата на переменных режимах его работы.

Список источников

• www.calc.ru
• www.rosteplo.ru
• specnhm.ru
• mr-build.ru
• vsetrybu.ru
• autogear.ru
• www.xiron.ru
• pknm.ru