Версия для печати

Приложение № 8

Пример теплового и гидравлического расчета пластинчатых водоподогревателей (по ГОСТ 15518)

В соответствии с каталогом ЦИНТИхимнефтемаш (М., 1990) 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 и 2.

Таблица 1

Показатель Тип пластины
0,3р 0,6р 0,5Пр
Габариты (длина х ширина х толщина), мм 1370х300х1 1375х600х1 1380х650х1
Поверхность теплообмена, м3 0,3 0,6 0,5
Вес (масса), кг 3,2 5,8 6,0
Эквивалентный диаметр канала, м 0,008 0,0083 0,009
Площадь поперечного сечения канала, м3 0,0011 0,00245 0,00285
Смачиваемый периметр в поперечном сечении канала, м 0,66 1,188 1,27
Ширина канала, мм 150 545 570
Зазор для прохода рабочей среды в канале, мм 4 4,5 5
Приведенная длина канала, м 1,12 1,01 0,8
Площадь поперечного сечения коллектора (угловое отверстие на пластине), м2 0,0045 0,0243 0,0283
Наибольший диаметр условного прохода присоединяемого штуцера, мм 65(80) 200 200
Коэффициент общего гидравлического сопротивления      
Коэффициент гидравлического сопротивления штуцера 1,5 1,5 1,5
Коэффициенты:
А 0,368 0,492 0,492
Б 4,5 3,0 3,0

Таблица 2

Техническая характеристика и основные параметры пластинчатых теплообменных аппаратов

Показатель Тип пластины
0,3р 0,6р 0,5Пр
1 2 3 4
Тип аппарата Разборный Полуразборный
Расход теплоносителя (не более), м/ч 50 200 200
Номинальная площадь поверхности теплообмена аппарата, м3, и исполнение на раме:
консольной (исполнение 1) От 3 до 10 От 10 до 25 -
двухопорной (исполнение 2) От 12,5 до 25 От 31,5 до 160 От 31,5 до 140
трехопорной с промежуточной плитой (исполнение 3) - От 200 до 300 От 160 до 320
Расчетное давление, МПа (кгс/см2) 1(10) 1(10) 1,6(16)
2,5(25)
Габарит теплообменников, мм 650х400х1665 605х750х1800 2570х650х1860
(3500)

Допускаемые температуры теплоносителей определяются термостойкостью резиновых прокладок. Для теплообменников, используемых в системах теплоснабжения, обязательным является применение прокладок из термостойкой резины, марки которой приведены в табл.3.    

Таблица 3

Характеристики прокладок для пластин

Условное обозначение прокладок Марка материала и технические условия Каучуковая основа Температура рабочей среды, °С
0

Резина 359

(ТУ 38-1051023-89)

СКМС-30 и АРКМ-15

(бутадиенметилстирольный каучук)

От -20 до +80
1

Резина 4326-Г

(ТУ 38-1051023-89)

СКН-18 (бутадиеннитрильный каучук) От -30 до +100
2

Резина 51-3042

(ТУ 38-1051023-89)

СКЭПТ (этиленпропилендиеновый каучук) До 150
3

Резина 51-1481

(ТУ 38-1051023-89)

СКЭП (этиленпропилендиеновый каучук) До 150
4

Резина ИРП-1225

(ТУ 38-1051023-89)

СКФ-32 и ИСКФ-26 (фторированный каучук) От -30 до +200

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 (в соответствии с табл.3). 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 м, на консольной раме, в коррозионностойком исполнении, материал пластин и патрубков - сталь 12Х18Н10Т; материал прокладки - теплостойкая резина 359; схема компоновки:    

формула 95 СП 41-101-95

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/см2).

Пластины попарно сварены по контуру, образуя блок. Между двумя сваренными пластинами имеется закрытый (сварной) канал для теплофикационной греющей воды. Разборные каналы допускают давление в них до 1 МПа (10 кгс/см2).

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/см2), до 150°С и перепаде давлений теплоносителей не более 0,3 МПа (3 кгс/см2).

1. Методика расчета пластинчатых водоподогревателей основана на использовании в них всего располагаемого напора теплоносителей с целью получения максимальной скорости каждого теплоносителя и соответственно максимального значения коэффициента теплопередачи или при неизвестных располагаемых напорах по оптимальной скорости нагреваемой воды, как и при подборе кожухотрубных водоподогревателей.

В первом случае оптимальное соотношение числа ходов для греющей Х1  и нагреваемой Х2 воды находится по формуле

формула 96 СП 41-101-95                                               (1)

Если соотношение ходов получается >2, то для повышения скорости воды целесообразна несимметричная компоновка, т.е. число ходов теплообменивающихся сред будет неодинаковым (рис.1-3 настоящего приложения). При несимметричной компоновке получается смешанное движение потоков: в части каналов - противоток, в части - прямоток, что снижает температурный напор установки по сравнению с противопоточным 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.    

Симметричная компоновка пластинчатого водоподогревателя, обозначение Сх 4/5

Рис.1. Симметричная компоновка пластинчатого водоподогревателя, обозначение Сх 4/5

  Несимметричная компоновка пластинчатого водоподогревателя, обозначение Сх(2+2)/5

Рис.2. Несимметричная компоновка пластинчатого водоподогревателя, обозначение Сх(2+2)/5

Схема компоновки водоподогревателей I и II подогрева в одну установку с противоточным движением воды

Рис.3. Схема компоновки водоподогревателей I и II подогрева в одну установку с противоточным движением воды

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 Wопт=0,4 м/с.

Поэтому, выбрав тип пластины рассчитываемого водоподогревателя горячего водоснабжения, по оптимальной скорости находим требуемое количество каналов по нагреваемой воде mH :    

формула_97_sp_41_101_95                                       (2)

где  fk - живое сечение одного межпластинчатого канала.

3. Компоновка водоподогревателя симметричная, т.е. mгр=mH . Общее живое сечение каналов в пакете по ходу греющей и нагреваемой воды

формула_98_sp_41_101_95                                          (3)

4. Находим фактические скорости греющей и нагреваемой воды, м/с    

формула_99_sp_41_101_95                                          (4), (5)

В случае если соотношение ходов, определенное по формуле (1), оказалось >2 (при подстановке РH=100 кПа, а Pгр =40 кПа - для I ступени), водоподогреватель собираем из двух раздельных теплообменников и более и в формулах (4) или (5) расход того теплоносителя, у которого получилось меньше ходов, уменьшаем соответственно в 2 раза и более.  

5. Коэффициент теплоотдачи a1, Вт/(м2·°С), от греющей воды к стенке пластины определяется по формуле

формула_991_sp_41_101_95                                   (6)

где  A - коэффициент, зависящий от типа пластин, принимается по табл.1 настоящего приложения;

формула_992_sp_41_101_95

6. Коэффициент тепловосприятия a2, Вт/(м2·°С), от стенки пластины к нагреваемой воде принимается по формуле

формула_993_sp_41_101_95                                 (7)

где формула_994_sp_41_101_95

7. Коэффициент теплопередачи k , Вт/(м2·°С), определяется по формуле

формула_995_sp_41_101_95                                                      (8)

где ß - 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 Qsp и по полученным значениям коэффициента теплопередачи k и температурному напору tср определяется необходимая поверхность нагрева  Fтр по формуле (1) прил.5.

При сборке водоподогревателя из двух раздельных теплообменников и более теплопроизводительность уменьшается соответственно в 2 раза и более.

9. Количество ходов в теплообменнике Х :    

формула_996_sp_41_101_95                                                    (9)

где fпл - 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    

формула_997_sp_41_101_95                                                   (10)

11. Потери давления Р, кПа, в водоподогревателях следует определять по формулам:

для нагреваемой воды    

формула_998_sp_41_101_95                                              (11)

для греющей воды    

формула_999_sp_41_101_95                                          (12)

где  - 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 =1,5-2,0;

Б - коэффициент, зависящий от типа пластины, принимается по табл.1  настоящего приложения;

WH.C - скорость при прохождении максимального секундного расхода нагреваемой воды.

Пример расчета

Выбрать и рассчитать водоподогревательную установку пластинчатого теплообменника, собранного из пластин 0,6р для системы горячего водоснабжения того же ЦТП, что и в примере с кожухотрубными секционными водоподогревателями. Следовательно, исходные данные, величины расходов и температуры теплоносителей на входе и выходе каждой ступени водоподогревателя принимаются такими же, как и в предыдущем примере.

1. Проверяем соотношение ходов в теплообменнике I ступени по формуле (1), принимая РН=100 кПа и Ргр=40 кПа,

формула_9991_sp_41_101_95

Соотношение ходов не превышает 2, следовательно, принимается симметричная компоновка теплообменника.

2. По оптимальной скорости нагреваемой воды определяем требуемое число каналов по формуле (2)    

формула_9992_sp_41_101_95

3. Общее живое сечение каналов в пакете определяем по формуле (3) ( принимаем равным 20)    

формула_9993_sp_41_101_95

4. Фактические скорости греющей и нагреваемой воды по формулам (4) и (5):

формула_9994_sp_41_101_95

5. Расчет водоподогревателя I ступени:

а) коэффициент теплоотдачи от греющей воды к стенке пластины, формула (6), принимая из табл.1 =0,492:

формула_9995_sp_41_101_95

б) коэффициент тепловосприятия от стенки пластины к нагреваемой воде, формула (7):

формула_9996_sp_41_101_95

в) коэффициент теплопередачи, принимая =0,8, формула (8):

формула_9997_sp_41_101_95

г) требуемая поверхность нагрева водоподогревателя I ступени, формула (1) прил.5:

формула_9998_sp_41_101_95

д) количество ходов (или пакетов при разделении на одноходовые теплообменники), формула (9):

формула_9999_sp_41_101_95

Принимаем три хода;

е) действительная поверхность нагрева водоподогревателя I ступени, формула (10):    

формула_99991_sp_41_101_95

ж) потери давления I ступени водоподогревателя по греющей воде; формула (12), принимая =1 и из табл.1 Б=3:    

формула_99992_sp_41_101_95

6. Расчет водоподогревателя II ступени:

а) коэффициент теплоотдачи от греющей воды к стенке пластины, формула (6):    

формула_99993_sp_41_101_95

б) коэффициент тепловосприятия от пластины к нагреваемой воде, формула (7):    

формула_99994_sp_41_101_95

в) коэффициент теплопередачи, принимая =0,8, формула (8):    

формула_99995_sp_41_101_95

г) требуемая поверхность нагрева водоподогревателя II ступени, формула (1) прил.5:    

формула_99996_sp_41_101_95

д) количество ходов (или пакетов при разделении на одноходовые теплообменники), формула (9):

формула_99997_sp_41_101_95

Принимаем 2 хода:

е) действительная поверхность нагрева водоподогревателя II ступени, формула (10):

ж) потери давления II ступени водоподогревателя по греющей воде, формула (12):         

формула_99999_sp_41_101_95

з) потери давления обеих ступеней водоподогревателя по нагреваемой воде, принимая =1,5, при прохождении максимального секундного расхода воды на горячее водоснабжение, формула (11):

формула_999991_sp_41_101_95

В результате расчета в качестве водоподогревателя горячего водоснабжения принимаем два теплообменника (I и II 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 ступени - 71,4 м2, II ступени - 47,4 м2. Схема компоновки I ступени:    

формула_999992_sp_41_101_95

схема компоновки II ступени:    

формула_999993_sp_41_101_95

Условное обозначение теплообменников, указываемое в бланке заказов, будет:

I ступени: Р0,6р-0,8-71,4-2К-01-10 

II ступени: Р0,6р-0,8-47,4-2К-01-10 

Расчет водоподогревателя, собранного из пластинчатых теплообменников фирмы "Альфа-Лаваль" (технические характеристики см. в табл.4), показывает, что в I ступень требуется установить теплообменник М15-BFG8 с числом пластин 64, площадь поверхности нагрева 38,4 м (коэффициент теплопередачи - 4350 Вт/(м2·°С)).

< назад / к содержанию / вперед >