Обобщенный алгоритм проектного расчета теплообменника

 

1. Определить среднюю температуру теплообменивающихся сред, по заданным начальным и конечным температурам , , где индекс о – отдающая среда; индекс в – воспринимающая среда.

2. Определить по средним температурам ,  и давлениям сред теплофизические свойства плотность , теплоемкость , теплопроводность , кинематическую  и динамическую  вязкость, значение критерия Прандтля . 

3. Задать предварительные значения пары скоростей , . Для газовых сред (газ, воздух и т.д. значения скоростей находятся в диапазоне от 5–15 м/с), для жидких сред (вода, масло – 0,3–1,5м/с).

4. С учетом заданных расходов, а также принимаемых некоторых габаритных ограничениях, например по длине (одной из сторон ПРТ или длины (диаметра) труб в КТА или ТРТ) определяется число каналов для каждой среды.

5. Определяются другие геометрические характеристики ТА, в том числе, проходные сечения ,   и действительные поверхности теплообмена ,  (по формулам лаб. раб. 1).

6. Используя предварительные значения скоростей ,  с учетом конструктивных особенностей конкретизированных в критериальных уравнениях определяются значения критериев Рейнольдса Re, Нуссельта Nu, коэффициентов теплоотдачи a, и теплопередачи k.

7. Определяется расчетное значение поверхности теплообмена для отдающей и воспринимающей сред

 

,                                                                        (1)

где  – поправка на схему тока, расчет которой осуществляется по следующему алгоритму:

7.1. Определяются температурные комплексы Р и R

 

,                                                                                      (2)

 

,                                                                                      (3)

 

7.2. Определяются параметры z и  по формулам

 

,                                                                            (4)

 

где p – индекс противоточности

 

                                                                          (5)

 

7.3. Определяется значение величины Y по формуле

 

,                                                   (6)

 

где .

 

7.3. Определяется поправка на схему тока по формуле

 

,                               (7)

 

8. Сравнить площади действительной поверхности теплообмена сред F _о(в) и расчетной F _ро(в). Действительная поверхность F, определенная исходя из заданных расходов и принятых скоростей, с учетом полученных проходных сечений, должна быть на 10–15 % больше чем расчетная поверхность F _р, определяемая интенсивностью теплообмена (коэффициент теплопередачи k), которая в свою очередь также зависит от скорости сред. С учетом пары скоростей ,  с одной стороны, определяются проходные сечения, число каналов и площадь действительной поверхности, исходя из условий процессов движения сред заданного расхода с принятой скоростью. Далее определяется интенсивность теплообмена и требуемая для передачи заданного количества тепла (расчетная) поверхность теплообмена F _р.

9. Если F _р незначительна, выходит за пределы допустимой (немного меньше 10 %, или немного больше 15 %), тогда можно вернуться к п. 3 и увеличить или уменьшить ту или другую, или обе скорости, при этом необходимо иметь в виду следующее – увеличивая скорость, мы тем самым уменьшаем нужное проходное сечение, уменьшаем требуемое число каналов и следовательно уменьшаем площадь действительной поверхности F, но увеличение скорости, также ведет к увеличению теплопередачи k, и, следовательно, к уменьшению требуемой расчетной поверхности F _р. Другое дело, что F и F _р изменяются по разному, т. е. последовательно меняя значение пар скоростей, (увеличивая или уменьшая их) мы можем найти сочетание, при котором коэффициент запаса будет в заданных пределах.

Если F и F _р значительно отличается друг от друга, тогда изменение скоростей не существенно, поэтому в этом случае нужно увеличивать (уменьшать) длину ТА (например, длину труб ТРТ, длину канала ПРТ) одновременно соответственно увеличивая (уменьшая) число ходов.

Если условие  выполняется, можно переходить к пункту 10 (расчет потерь давления).

10. Определить потери давления сред в соответствии с выражением. 

 

                             (8)

 

 

 

Это необходимо проводить с учетом фактической длины канала по каждой среде l и значений местных сопротивлений . Учитываются местные сопротивления при входе в канал, выходе из канала и сопротивления при поворотах среды, (например, на 180º через перегородку в межтрубном пространстве) в зависимости от числа ходов по соответствующей среде.

 

Исходные данные:

отдающая среда – природный газ; воспринимающая среда – атмосферный воздух.

Тон = 304,8 К (31,6°С);     Рон = 11,86 МПа;             Твн = 287,3 К (14,2°С);

Ток = 295,2 К (22,1°С);      Рвн = 0,1013 МПа; Твк = 294,5 К (21,3°С);

Gон = 419,29 кг/с

конструктивные особенности – трубный пучок состоит из оребренных труб.

 

Алгоритм расчета реализуем в программе Excel:

 

 

 

 

 

 

 

Таким образом, для проведения проектного расчета теплообменника заданной конструкции на основе шаблона подготовлен файл Excel, в котором:

1. Введены исходные данные (давления, температуры, расходы сред)

2. Определены и введены теплофизические свойства сред.

3. Заданы значения основных геометрических параметров, характеризующих теплопередающую поверхность заданной конструкции.

4. Определены числа ходов и скорости теплообменивающихся сред, необходимые для обеспечения запаса поверхности.

5. Определены потери давления сред.

 

 

 

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего образования

«Омский государственный технический университет»

Кафедра «Теплоэнергетика»

 

 

Лабораторная работа 4

По дисциплине

«Тепломассообменное оборудование предприятий»

 

Энергетический пинч-анализ

Вариант 24

Выполнил: студент группы ЗТЭ-181

Иванов И.И.

Проверил к.т.н., доцент каф. ТЭ:

Январев И.А. 

 

 

Омск 2022

 

Лабораторная работа № 4

Энергетический пинч анализ

 

Исходные данные.

Потоки	Вид потока	Начальная Тн,	Конечная Тк,	Нагрузка Q	СР*
		ºС	ºС	кВт	кВт/ºС
1	Горячий	310	60	7500	30
2	Горячий	260	150	5500	50
3	Холодный	40	140	5000	50
4	Холодный	100	160	3600	60
5	Холодный	150	330	3600	20

 

Пинч-анализ – математический метод, нашедший применение в промышленности более 20 лет назад, позволяет улучшать эффективное использование энергии, воды и сырья, сократить потоки, направляемые на очистку и соответствующие затраты в различных отраслях промышленности.

За время его использования метод получил значительное развитие и стал предпочтительным для определения экономически эффективных способов наибольшего извлечения тепла и уменьшения спроса на внешние его источники (пар и охлаждающая вода). Он применим для определения экономии энергии как для самого процесса производства, так и для систем его обслуживания. Достижение экономии во многом зависит от задач, предусматриваемых проектом.

Пинч-технология (или пинч-анализ) является надежным, структурированным подходом для решения широкого ряда проблем, связанных с повышением эффективности основного технологического процесса и вспомогательных систем обслуживания. Принимая во внимание, что стоимость использования товара-продукта (энергия, вода, водород) есть функция его количества и качества, анализируются предложение и спрос (источники и сливы) энергии (энергетический пинч). Во всех случаях основным принципом является достижение соответствия между индивидуальным спросом на продукт и подходящими поставками. Это соответствие зависит от требуемого количества и предлагаемого качества продукта. Для тепла качеством является его температура, а для воды и водорода – чистота и давление. Максимизируя соответствие между поставками и спросом, минимизируется объем требуемых покупки продуктов.