Расчет кожухотрубного водоводяного теплообменника

Конкретный выбор типа аппарата зависит от относительной значимости отдельных факторов и назначения аппарата: стоимости изготовления аппарата (капитальные затраты), эксплуатационных расходов (особенно расходов на прокачку теплоносителя), возможности очистки аппарата, склонности к коррозии, разности рабочих давлений сред, опасностей, связанных с утечкой хладоносителя, рабочего диапазона температур, возможности возникновения вибрации труб, и появления усталостных повреждений. 

Кожухотрубные аппараты соответственно местным условиям располагаются вертикально или горизонтально; при необходимости удлинения пути теплоносителей они могут соединяться последовательно, а при невозможности размещения требуемого числа труб в одном корпусе их соединяют параллельно, могут быть одно- , двух- , четырех- и шестиходовыми по трубному пространству. Трубы, кожух и другие элементы конструкции могут быть изготовлены из углеродистой или нержавеющей стали.

При конструкции различают теплообменники с неподвижными трубными решетками, в которых обе решетки жестко прикреплены к корпусу и трубы не могут свободно удлиняться, и теплообменники с компенсирующими устройствами, в которых трубы могут свободно удлиняться.

В теплообменниках с неподвижными трубными решетками при различном тепловом удлинении труб и кожуха возникают температурные напряжения; поэтому такие теплообменники применяют при небольшой разности температур между трубами и кожухом.

Для одноходовых теплообменников при сравнительно небольших расходах жидкости скорость её движения в трубах низка и, следовательно, коэффициенты теплоотдачи невелики. Для увеличения последних при данной поверхности теплообмена можно уменьшить диаметр труб, соответственно увеличив их высоту (длину). Однако теплообменники небольшого диаметра и значительной высоты не удобны для монтажа, требуют высоких помещений и повышенного расхода металла на изготовление деталей, не участвующих непосредственно в теплообменниках. 

 
Рисунок 2.1 - Кожухотрубный теплообменный аппарат.

1 - корпус; 2 – трубы; 3 - трубные решетки; 4 - крышки; 5 - штуцеры для входа и выхода из трубного пространства; 6 - штуцеры для входа и выхода из межтрубного пространства; 7 - поперечные перегородки межтрубного пространства; 8, 9 - опорные липы соответственно при вертикальном и горизонтальном расположениях аппарата.

 

 

 

 

3 Современные теплообменные аппараты

 

В последние 3-4 года назойливая и настойчивая реклама сделала свое дело - на российский рынок бурным потоком хлынуло зарубежное оборудование. Однако все более очевидным становится то, что оно в ближайшее время не сможет найти широкое применение в России и не только потому, что оно очень дорого, а потому что Россия - страна с огромной разветвленной системой теплоснабжения. А для того, чтобы перейти на западные технологии, необходимо перейти на зарубежные показатели водно-химического режима, обеспечить прокладку тепловых сетей изолированными трубами с герметичным покрывным материалом и автоматической системой обнаружения утечек, иметь персонал высокой квалификации, иметь эффективные системы авторегулирования тепловой нагрузки и т.д.

          Этого ничего нет, если не считать нескольких демонстрационных объектов, находящихся в Москве, Санкт-Петербурге и нескольких крупных городах России. Однако надо признать и то, что наше машиностроение на сегодняшний день не может предоставить полного набора энергоэффективного оборудования. Но положительные сдвиги в этом направлении появились.

           В качестве примера можно привести теплообменное оборудование. В последние годы появились попытки широкого применения в типовых схемах теплоснабжения пластинчатых теплообменных аппаратов в качестве альтернативы кожухотрубным водоводяным теплообменникам, изготавливаемым по ГОСТ 27590-88.

Необходимо отметить, что оборудование, изготавливаемое по упомянутому ГОСТу, спроектировано на основе конструкторских решений 50-летней давности, морально устарело и имеет ряд серьезных недостатков:

           -       невысокая тепловая эффективность;

           -       значительные дополнительные гидравлические и тепловые потери на калачах и переходах;

            -       низкая ремонтопригодность;

            -       невозможность ремонта и полной очистки наружных поверхностей теплообменных труб и межтрубного пространства;

            -       размещение такого оборудования требует больших объемов и площадей.

Негативное отношение к такому виду оборудования усугубляется еще и тем, что ряд производителей, с целью снижения трудоемкости, не ставят перегородки в трубных пучках, что снижает и без того низкий коэффициент теплопередачи, а также ведет к быстрому выходу из строя этого оборудования из-за вибрационного истирания теплообменных труб между собой. Удивляет то, что на данный факт заказчик почти не обращает внимание.

Основные требования, которые должны быть предъявлены к отечественному водоводяному оборудованию, применяемому в обычных системах теплоснабжения, и которое по своим показателям технической эффективности и надежности не уступает отечественным и зарубежным аналогам, включая и пластичные теплообменники:

-       уровень тепловой эффективности должен определять коэффициент теплопередачи не ниже 3500 ккал/(м2.ч.К) (- 4000 Вт/(м2.К));

-       возможность очистки внутренних и наружных поверхностей теплообменных труб, а также межтрубного пространства в корпусе;

-       ремонтопригодность, т.е. ремонт оборудования должен проводиться силами собственного персонала с использованием стандартного инструмента и доступного материала;

-       надежность в переменных режимах работы и при возможных нарушениях нормальных условий эксплуатации (гидравлические удары, повышение тепловой нагрузки, ухудшение качества воды и т.д.);

-       компактность и простота конструкции;

-       обеспечение устранения деформации в водоводяных теплообменниках при разности температурных удлинений корпуса и теплообменных труб;

-       невысокая цена.

Для обеспечения выполнения этих требований теплообменный аппарат должен быть: кожухотрубным, разборным, желательно однокорпусным, и в нем должны быть использованы новые, но проверенные конструкторские решения, обеспечивающие высокую тепловую эффективность. Надо сказать, что в этом направлении уже много сделано.

Еще в конце 80-х годов прошлого столетия специалистами НПО ЦКТИ и Саратовского завода энергетического машиностроения были спроектированы и изготовлены головные образцы новых водоводяных теплообменных аппаратов, предназначенных для охлаждения конденсата греющего пара подогревателей низкого давления систем регенерации паротурбинных установок, подогревателей сетевой воды, установленных на ГРЭС, ТЭЦ и АЭС. Испытание головных образцов проводилось на ТЭЦ-3 Ленэнерго. Результаты подтвердили высокую тепловую эффективность и надежность в эксплуатации, возможность ремонта на месте, простоту очистки и осмотра, малые габариты.

Следует отметить, уже тогда в решении Межведомственной комиссии по запуску в производство было рекомендовано использовать конструкцию охладителей конденсата для создания новых водоводяных теплообменников для систем теплоснабжения и горячего водоснабжения взамен секционных, изготавливаемых по ГОСТ 27590-88.

Специалистами вновь созданного ООО «Волгопромэнерго» была разработана новая серия малогабаритных, разборных водоводяных теплообменных аппаратов, в основу которых положены основные конструкторские решения, использованные при разработке однокорпусных охладителей конденсата. Обозначение новым теплообменным аппаратам присвоено ПВВР.

ПВВР - подогреватель водоводяной разборный. Корпуса всего номенклатурного ряда выполнены из серийно изготавливаемых труб диаметрами от 114 до 630 мм, рабочее давление не более 1,0 МПа (10 кгс/см2). Все подогреватели имеют единую длину трубных систем равную 2000 мм. На рисунке показана принципиальная схема подогревателя.

 

Рисунок 3.1 - Кожухотрубный теплообменник горизонтального типа.

1,4 - съемные передняя и задняя водяные камеры; 2 – корпус; 3 - трубная система; 5 - съемная крышка корпуса.

 

Корпус подогревателя - либо вальцованные обечайки, либо стальная труба. Трубная система состоит из двух стальных трубных досок с завальцованными в них прямыми латунными трубками диаметром 16 мм и толщиной 1 мм. Аппарат по движению жидкости в трубном пространстве - двухходовый, что позволяет повысить скорость воды до 2 м/сек.

К особенностям конструкции трубной системы можно отнести применение поперечных сегментных перегородок совместно с продольной, что делает движение жидкости в межтрубном пространстве многоходовым и поперечно-продольным, при этом скорость воды достигает 1,2-1,5 м/сек. Еще одной отличительной особенностью конструкции трубной системы является применение как гладких латунных труб, так и труб с профильной накаткой.

Передняя и задняя водяные камеры выполнены разъемными. Передняя водяная камера выполняет роль распределительной, задняя -поворотная. Задняя камера - плавающая, чем обеспечивается надежная компенсация температурных удлинений трубной системы. Передняя водяная камера крепится к корпусу с помощью фланцевого разъема, задняя водяная камера крепится к трубной доске с помощью специальных зажимов.

Конструкция уплотнения трубной доски с задней водяной камеры, позволяющая вынимать трубную систему из корпуса подогревателя, запатентована (патент № 1502947 от 23.08.89). Съемная крышка корпуса предназначена для доступа к задней водяной камере. Донышки на водяных камерах и крышке применены плоские.

Оптимизация условий теплообмена за счет применения проверенных конструкторских решений, позволяет повысить коэффициент теплопередачи подогревателя типа ПВВР на 30-35% по сравнению с секционными, а использование труб с профильной накаткой и до 50%. Для покрытия требуемой тепловой мощности подогреватели могут собираться в блок из 2-х или 3-х теплообменных аппаратов. Применение соединительных калачей не требуется, т.к. аппараты соединяются собственными патрубками.

 

 

4 Расчет кожухотрубного водоводяного теплообменника

 

4.1 Теплотехнический расчет

 

Рассчитать и подобрать нормализованный кожухотрубчатый теплообменник для теплообмена между горячей и холодной водой. Расход горячей воды G1=19 кг/с. Начальная температура горячей воды t1н=1040С. Конечная температура горячей воды t1к=400С. Расход холодной воды    G2=31 кг/с. Начальная температура холодной воды t2н=190С.

1. Определение средней температуры горячей воды:

tср=(t1н+t1к)/2,                                                     (4.1.1)

tср=(104+40)/2=720С,

где     t1н  – начальная температура горячей воды,0С;

t1к - конечная температура горячей воды, 0С.

Горячая вода при средней температуре t1 = 720C имеет следующие физико-химические характеристики: ρ1 = 967,5 кг/м3, λ1 = 0,663 Вт/(м·К),    

µ1=0,4061·10-3Па·с, с1 = 4189,3 Дж/(кг·К).

2. Определение тепловой нагрузки:

Q=G1c1(t1н-t1к),                                               (4.1.2)

Q=19·4189,3(104-40)=5094188,8 Вт,

где    G1 – расход горячей воды, кг/с;

с1 - теплоемкость горячей воды при ее средней температуре, Дж/(кг·К).

3. Определение средней температуры холодной воды:

tср2=t2н+16,                                                  (4.1.3)

          tср2=19+16=350С,

где    t2н – начальная температура холодной воды, 0С.

4. Определение конечной температуры холодной воды из уравнения теплового баланса:

t2к= t2н+Q/G2c2 ,                                                                     (4.1.4)

t2к=19+5094188,8/(31·4178,25)=58,330С,

где    G2 - расход холодной воды, кг/с;

          c2 - теплоемкость холодной воды при ее средней температуре, Дж/(кг·К).

Остальные физико-химические характеристики холодной воды при этой температуре: ρ2 = 994 кг/м3,  λ2 = 0,628 Вт/(м·К), µ2 = 0,7225·10-3Па·с.

5. Определение среднелогарифмической разности температур:

∆tср.лог=(∆tб-∆tм)/[ln(∆tб/∆tм)],                                     (4.1.5)

где    ∆tб = (t1н-t1к),                    ∆tб=104-40=640С;

         ∆tм = (t2к-t2н),                    ∆tм=58-19=390С;

          ∆tср.лог=(64-39)/[ln(64/39)]=50,50С.

6. Ориентировочный выбор теплообменника.

Примем ориентировочное значение Re1ор=15000, что соответствует развитому турбулентному режиму течения в трубах. Очевидно, такой режим возможен в теплообменнике, у которого число труб, приходящееся на один ход, равно:

для труб диаметром dн=20⨯2мм

n/z=(4G1)/(πd Re1ор µ1),                                       (4.1.6)

n/z=4·19/(3,14·0,016·15000·0,4061·10-3)=248,336;