Расчет пластинчатого теплообменника

26 ноября 2018
RUSINZH.RU

Чтобы заказать индивидуальный расчет и подбор теплообменника, заполните форму:

Пластинчатые водоподогреватели (по Гост 15518)

Поверхностью теплообмена в этих теплообменниках являются гофрированные параллельные пластины (см. рис. 3.7), с помощью которых создается система узких каналов (см. рис. 3.8) 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 больших значений – до 3000–4000 Вт/(м2 · К) – при сравнительно невысоких гидравлических сопротивлениях.

На рис. 3.7, а 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. 3.7, б также схематично показано взаимное движение теплоносителей I и II между 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.

Рис. 3.7. Пластинчатый теплообменник и его элеметы:

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; 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

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. 3.4, 3.5.

Таблица 3.4

Техническая характеристика пластин

Показатель

Тип пластины

0,3р

0,6р

0,5Пр

1

2

3

4

Габариты

(длина ´ ширина ´ толщина), мм

1370´ 300´ 1

1375´ 600´ 1

1380´ 650´ 1

Поверхность теплообмена, м2

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, м2

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

19,3

Re0,25

15

Re0,25

15

Re0,25

Коэффициент гидравлического

сопротивления штуцера x

1,5

1,5

1,5

Коэффициенты: А

Б

0,368

4,5

0,492

3,0

0,492

3,0

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

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 (м2), затем – конструктивное исполнение (в соответствии с табл. П.3.6), 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:

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 греющей воды. Разборные каналы допускают давление в них до 1 МПа (10 кгс/см2).

Таблица 3.5

Техническая характеристика и основные параметры пластинчатых теплообменных аппаратов

Показатель

Тип пластины

0,3р

0,6р

0,5Пр

Тип аппарата

Разборный

Полуразборный

Расход теплоносителя (не более), м3

50

200

200

Номинальная площадь поверхности теплообмена аппарата, м2, 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

650´ 400´ 1665

605´ 750´ 1800

2570´ 650´ 1860 (3500)

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/см2), до 150 °С и перепаде давлений между теплоносителями не более 0,5 МПа (5 кгс/см2).

Таблица 3.6

Характеристики прокладок для пластин

Условно е обозначе

ние

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

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).

Методика теплового и гидравлического расчета (подбора) пластинчатого теплообменника

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.

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

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.

 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 mн:

где fк – живое сечение одного межпластинчатого канала.

  Компоновка водоподогревателя симметричная, т. е. mгр= mн. Общее живое сечение каналов в пакете по ходу греющей и нагреваемой воды   fгр = fн = mн fк , м2.

Находим фактические скорости греющей и нагреваемой воды: 

W гр = Gгвс /(3600 × fгр × r), м/с;          (3.50)

W н = G Гmax /(3600 × fгр × r), м/с;       (3.51)

В случае если соотношение ходов, определенное по формуле (3.47), оказалось >2 (при подстановке DPн = 100 кПа, а DPгр = 40 кПа – для I-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.

Коэффициент теплоотдачи a1 от греющей воды к стенке пластины 

где А коэффициент, зависящий от типа пластин; принимается по табл. 3.4;

Коэффициент тепловосприятия a2 от стенки пластины к нагреваемой воде принимается по формуле 

Коэффициент теплопередачи К

где b – 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.

При заданной величине расчетной производительности Qп и по полученным значениям коэффициента теплопередачи К и температурному напору Dtср определяется необходимая поверхность нагрева Fтр.

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

Количество ходов в теплообменнике

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.

Действительная поверхность нагрева всего водоподогревателя определяется по формуле

F = (2m × X -1)fпл , м2.   (3.57)

11. Потери давления DP в водоподогревателях определяются по формулам:

· для нагреваемой воды

· для греющей воды

где φ – 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 φ = 1,5–2,0;

Б коэффициент, зависящий от типа пластины (см. табл. 3.4).

Wн.с. – скорость при прохождении максимального секундного расхода нагреваемой воды.

Пример расчета пластинчатого теплообменника

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. Исходные данные, величины расходов и температуры теплоносителей на входе и выходе каждой ступени водоподогревателя принимаются такими же, как и в предыдущем примере.

  • Проверяем соотношение ходов в теплообменнике I-й ступени по формуле (4.47), принимая DРН = 100 кПа и DРГР = 40 кПа:
  • По оптимальной скорости нагреваемой воды определяем требуемое число каналов по формуле (4.48)
  • Общее живое сечение каналов в пакете определяем по формуле (3.49) (mн принимаем равным 20)
  • Фактические скорости греющей и нагреваемой воды по формулам (3.50) и (3.51)

Расчет водоподогревателя I-й ступени: 

а) коэффициент теплоотдачи от греющей воды к стенке пластины (3.52), принимая из табл. 3.4 А = 0,492, 


б) коэффициент тепловосприятия от стенки пластины к нагреваемой воде (3.54), 

a2 = 1,16 × 0,492 [23000 + 283×19,5 - 0,63×19,52 ]× 0,350,73 = 8037 Вт /2×o С)

в) коэффициент теплопередачи по формуле (3.55), где β = 0,8,

г) требуемая поверхность нагрева водоподогревателя I-й ступени

д) количество ходов (3.55) (или пакетов при разделении на одноходовые теплообменники)

Принимаем три хода:

е) действительная поверхность нагрева I-й ступени (3.56)

F I = (2 × 20 × 3 -1)× 0,6 = 71,4 м2;

ж) потери давления I-й ступени водоподогревателя по греющей воде (3.58), принимая φ = 1 и из табл. 3.4 Б = 3, 

DPгр = 1× 3× (33 - 0,08× 36)× 0,351,75 × 3 = 43,2

Расчет водоподогревателя II-й ступени:  

а) коэффициент теплоотдачи от греющей воды к стенке пластины (3.52)

a1 = 1,16 × 0,492 (23000 + 283× 67,5 - 0,63× 67,52 )× 0,350,73 = 10412 Вт/(м2×o С) 

б) коэффициент тепловосприятия от пластины к нагреваемой воде (3.53)

a2 = 1,16 × 0,492 (23000 + 283× 48,5 - 0,63× 48,52 )× 0,350,73 = 10017 Вт/(м2×o С) 

в) коэффициент теплопередачи по формуле (3.54), где β = 0,8,

г) требуемая поверхность нагрева водоподогревателя II-й ступени

д) количество ходов (или пакетов при разделении на одноходовые теплообменники) (3.56): 

Принимаем два хода: 

е) действительная поверхность нагрева II-й ступени (3.57)

F II = (2 × 20 × 2 -1)× 0,6 = 471,4 м2

ж) потери давления II-й ступени по греющей воде (4.58)

з) потери давления обеих ступеней водоподогревателя по нагреваемой

воде, принимая φ = 1,5, при прохождении максимального секундного расхода воды на горячее водоснабжение 

(3.58) DPI+II = 1,5× 3× (33 - 0,08× 31)[21,6 × (0,049 ×103 )]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 –С = 20 + 20 + 20 ;X 21+ 20 + 20 схема компоновки II-й ступени –СX= 20 + 20 .21+ 20 

Обратившись за подбором по адресу podbor@rusinzh.ru вы получите два-три расчета пластинчатых теплообменников российского производства для выбора оптимального варианта.