Проектирование теплообменного аппарата

Методические указания к выполнению курсовых работ.

 

Северодвинск

2017

 

Теплообменное оборудование. Проектирование теплообменного аппарата. Методические указания к выполнению курсовых работ/Сост. А.М. Воронин – Северодвинск: САФУ, 2017.- 33 с.

 

Пособие предназначено для студентов направления 26.03.02 "Кораблестроение, океанотехника и системотехника объектов морской инфраструктуры", профиля «Судовые энергетические установки» (всех форм обучения) и содержит указания к проектированию судовых теплообменных аппаратов, порядок разработки, выполнения расчётов и требования к оформлению курсовых работ. Приведен список справочной литературы, необходимой при выполнении работы.

 

 

САФУ, 2017 г.

СОДЕРЖАНИЕ

 

Введение………………………………………………..…….………3

1.Классификация ТОА………………………………………………4

2.Конструкция и основные принципы проектирования кожухотрубных ТОА…………………...……….......................…………6

3.Характеристики жидких теплоносителей…………………...…..13

4.Тепловой расчёт ТОА………………………...…………………..16

5.Гидравлический расчёт ТОА………………………………….....23

6.Требования к оформлению…………….............................……..29

Приложения………………………………………………………….30

Литература……………………………………………………...…...32

ВВЕДЕНИЕ

 

Теплообменные аппараты являются одними из важнейших элементов судовой энергетической установки. На долю различных по конструкции и на­значению теплообменных аппаратов (ТОА) приходится значительная часть массы и объёма СЭУ.

Развитие судовых энергетических установок, увеличение их мощности, надёжности и долговечности обуславливают создание компактных, надёжных, эффективных, простых в изготовлении и эксплуатации судовых ТОА. Поэтому вопросы проектирования ТОА являются актуальными для студентов, изучающих СЭУ.

Методические указания рассчитаны на студентов, владеющих основами теории теплопередачи и имеющих навыки их практическогоиспользования.

 

1. КЛАССИФИКАЦИЯ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ

 

Теплообменные аппараты (ТОА) – это устройства, предназначенные для передачи тепла от одного теплоносителя к другому с целью осуществления различных тепловых процессов (нагревание, охлаждение, испарение, конденсация).

Теплообменные аппараты классифицируют по различным признакам:

1.1. Классификация по принципу действия.

Выделяют поверхностные ТОА, в которых теплоносители взаимодействуют друг с другом через разделяющую их непроницаемую поверхность теплообмена, и контактные ТОА, в которых теплоносители непосредственно контактируют друг с другом.

Поверхностные ТОА в свою очередь подразделяют на рекуперативные и регенеративные.

В рекуперативных ТОА теплота передаётся через поверхность теплообмена, постоянно омываемую теплоносителями с обеих сторон. Направление теплового потока через поверхность таким образом является постоянным.

В регенеративных ТОА теплота передаётся при поочерёдном омывании теплоносителями специальной теплоаккумулирующей поверхности. Таким образом, направление теплового потока через поверхность периодически изменяется на противоположное. Поверхность теплообмена может быть переключаемой через определённые промежутки времени (рис. 1, а) или вращающейся (рис. 1, б).

Рис.1

Контактные ТОА подразделяют на смесительные и барботажные.

В смесительных ТОА теплоносители перемешиваются и образуют растворы или смеси, таким образом теплообмен сопровождается массообменом.

В барботажных ТОА один теплоноситель прокачивается через массу другого, не смешиваясь с ним.

Наибольшее распространение в судовых энергетических установках получили поверхностные рекуперативные ТОА вследствие простоты конструкции, эффективности, надёжности и удобства в эксплуатации.

1.2. Классификация по назначению.

По назначению судовые ТОА подразделяются на энергетические (ТОА ГЭУ), вспомогательные (ТОА судовых систем и вспомогательных установок) и бытовые (например, ТОА систем кондиционирования воздуха).

1.3. Классификация по виду теплоносителя.

По виду теплоносителя выделяют ТОА: жидкостные (в которых оба теплоносителя – жидкости), газовые (оба теплоносителя – газы) и газожидкостные (один теплоноситель жидкость, другой – газ).

1.4. Классификация по изменению агрегатного состояния теплоносителя.

В судовых энергетических установках применяются ТОА без изменения агрегатного состояния теплоносителей (охладители, подогреватели) и с изменением агрегатного состояния одного из теплоносителей (парогенераторы, конденсаторы).

1.5. Классификация по принципу монтажа.

По принципу монтажа выделяют ТОА автономные, навешенные и встроенные.

 

2. КОНСТРУКЦИИ И ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ КОЖУХОТРУБНЫХ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ

 

Рекуперативные ТОА, получившие широкое распространение на судах, по типу конструкции подразделяют на круглотрубчатые, плоскотрубчатые и пластинчатые.

Благодаря простоте конструкции и удобству в эксплуатации наибольшее применение нашли ТОА из гладких круглых трубок в цилиндрическом корпусе. Цилиндрический корпус проще в изготовлении и выдерживает большие давления. ТОА из трубок, заключённых в кожух, называют кожухотрубными.

Типичная конструкция кожухотрубного ТОА представлена на рис. 2.

Рис. 2

В кожухе 1 расположен пучок трубок 2, концы которых закреплены в трубных досках 3. Крышки 4 вместе с трубными досками образуют распределительные камеры 5. Таким образом, создаются две изолированные полости – трубно е и межтрубное пространство.

Специфика судовых условий - установка ТОА в тесных отсеках, трудный доступ при обслуживании - сказывается на конструктивном оформлении и компоновке теплообменных аппаратов. Крайне важными являются массогабаритные характеристики ТОА, которые определяются теплопередающей способностью ТОА и совершенством компоновки. Известно, что теплоотдача при поперечном внешнем обтекании пучка трубок является более интенсивной, чем при продольном. Для реализации поперечного обтекания в межтрубном пространстве ТОА устанавливаются сегментные (рис.3, а) или кольцевые (рис.3, б) поперечные перегородки.

а)

б)

Рис. 3

В этом случае ТОА получаются более компактными и лёгкими. Число перегородок определяет число ходов теплоносителя (одна перегородка – два хода, две перегородки – три хода и т.д.).

ТОА может быть многоходовым и по теплоносителю, протекающему внутри трубок. В этом случае перегородки устанавливаются внутри распределительных камер (табл.1).

Таблица 1

Число ходов	Перегородки в распределительных камерах ТОА
2
4
6
8

Число ходов по теплоносителю в трубках более четырёх в ТОА встречается редко.

В таблице 2 приведены возможные схемы компоновки трубок в ТОА.

Таблица 2

Компоновка	Схема	Характеристика
Треугольная		Число труб где S 1 = S 2 = S =(1,2…1,4) d aN – порядковый номер шестиугольника, считая от ценра
По концентрическим окружностям		S1=S2=S
Шахматная		S 1 =(1,3…1,8) d При вальцовке S 2 (1,25…1,) d Присварке
Коридорная		S1=S2 и S1 S2

Чаще всего применяется компоновка по равностороннему треугольнику, как наиболее компактная. S ₁ – шаг разбивки.

Нормалью «Аппараты теплообменные кожухотрубные с прямыми трубками судовые» (ОН9-487-64) предусмотрены следующие типоразмеры трубок ТОА (внешний диаметр´толщина стенки трубки): 10´1 мм; 16´1 мм; 10´1,2 мм. Трубки 10´1 мм выбраны из условий получения компактной поверхности теплообмена и являются минимально допустимыми с точки зрения загрязнения их внутренней поверхности. Трубки 16´1 мм приняты для случаев, когда имеются опасения интенсивного отложения загрязнений внутри трубок, а так же при установке ТОА в схемах с самопротоком охлаждающей воды. Трубки 10´1,2 мм применяются при давлении теплоносителей более 25 кг/см².

Основные способы закрепления концов труб в отверстиях трубных решёток:

1) Вальцовка – соединение, образующееся в результате деформации трубки в радиальном направлении под действием силы, создаваемой специальным вальцовочным инструментом. На рис. 4 показано соединение вальцовкой при использовании двух кольцевых расширительных канавок в отверстии трубной решётки.

Рис. 4

2) Приварка.

3) Вальцовка с последующей приваркой.

Площадь трубной решетки одноходового по трубам рекуперативного ТОА, необходимая для размещения труб при треугольной разбивке, определяется по формуле:

,

где S ₁ – шаг разбивки, n – количество трубок в ТОА.

В многоходовых ТОА площадь трубной решетки больше вследствие ус­тановки перегородок в распределительных камерах и наличия мест, где трубы не установлены по технологическим условиям. Это учитывается коэффициентом заполнения труб­ной решетки . Чем больше ходов в аппарате, тем меньше значение . В ТОА с -образными трубами принимается .

внутренний диаметр кожуха многоходового аппарата:

.

Толщина трубной решетки рассчитывается, но при вальцовке труб должна быть , мм, для стальной трубы и , мм, для медной.

При иных способах закрепления труб из других материалов минимальная толщина трубной решетки должна быть равна диаметру труб с учетом допуска на коррозию.

При выборе материалов, из которых изготавливаются элементы ТОА, определяющим является обеспечение надёжности и долговечности в эксплуатации в судовых условиях при минимальных весо-габаритных показателях. Первостепенную роль здесь играют параметры теплоносителей. Детали, омываемые морской водой, следует выбирать из стойких в коррозионном отношении материалов, к которым относятся цветные металлы и их сплавы (трубки и трубные доски чаще всего изготавливают из латуни, крышки – из бронзы). Детали, соприкасающиеся с менее агрессивными средами, можно изготавливать из легированных или углеродистых сталей.

Материал трубных решеток и труб выбирают одновременно сточки зрения стойкости к контактной электрохимической коррозии.

 

При выборе тракта теплоносителей следует учитывать:

1. Необходимость интенсификации теплообмена. Теплопередача в основном определяется коэффициентом теплоотдачи теплоносителя с худшими теплопередающими свойствами. Поэтому теплоноситель с хорошими теплопередающими свойствами (например, воду) следует направить по трубкам, а теплоноситель с плохими теплопередающими свойствами (например, масло) следует направить поперечным потоком в межтрубное пространство, так как теплообмен при этом интенсивнее.

2. Давления теплоносителей.

Целесообразно теплоноситель под большим давлением направить по трубкам, чтобы не делать толстостенный кожух.

3. Загрязнённость теплоносителей.

По трубкам целесообразно направить более загрязнённый теплоноситель, так как чистить трубки значительно легче, чем межтрубное пространство.

 

Скорость u движения теплоносителя оказывает существенное влияние на теплоотдачу, потери давления, загрязняемость и вибрацию труб. При увеличении скорости происходит интенсификация теплоотдачи - за счет лучшего перемешивания теплоносителя, т.е. за счет более быстрой смены частиц теплоносителя у стенки, через которую идет теплообмен. Однако следует иметь в виду, что увеличение скорости приводит к увеличению гидравлических потерь и вибрации трубок. Ориентировочные значения скорости тепло­носителей, рекомендуемые на основании опыта эксплуатации судовых рекуперативных ТОА представлены в таблице 3.

Таблица 3

Среда	Условия движения	u, м/с
Маловязкая жидкость (вода. бензин, керосин)	Нагнетательная линия	1…3
	Всасывающая линия	0,8…1,2
Вязкая жидкость (легкие и тяжелые масла, растворы солей и т.п.)	Нагнетательная линия	0,5…1,0
	Всасывающая линия	0,2…0,8
Маловязкая и вязкая жидкости	Самотек	0,1…0,5

 

В процессе работы в ТОА возникают термические напряжения, обусловленные различными удлинениями трубок и корпуса ТОА под действием различных температур или вследствие неодинаковых коэффициентов удлинений. Если возникающие термические напряжения невелики, то они компенсируются упругими деформациями, но если эти напряжения превышают предел прочности трубок, то их нужно каким-либо образом компенсировать.

В зависимости от способа компенсации температурных удлинений выделяют:

1) ТОА жёсткой конструкции – без компенсации температурных удлинений, такой аппарат изображён на рис. 2. Расчётами и опытом эксплуатации подтверждается применимость аппаратов жёсткой конструкции при разности теплоносителей до 50 ⁰С.

2) ТОА полужёсткой конструкции – с компенсацией упругим элементом, например линзовым (рис. 5, а) или сильфонным компенсатором на корпусе.

3) ТОА нежёсткой конструкции – с компенсацией в результате свободных удлинений. К этому типу относятся ТОА с U-образными трубками (рис. 5, б) – их недостаток в том, что очистка таких трубок затруднительна; а так же ТОА с плавающей головкой (рис. 5, в) и ТОА с трубками Фильда (рис. 5, г).

     а)                     б)           в)                     г)

Рис. 5

3. ХАРАКТЕРИСТИКИ ЖИДКИХ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕЙ

 

Выбор теплоносителей определяется назначением ТОА, условиями его эксплуатации, а также теплофизическими свойствами теплоносителей, их дос­тупностью, стабильностью в процессе длительной эксплуатации и др.

Ниже приводятся характеристики основных жидких теплоносителей.

Таблица 4

Теплофизические свойства пресной воды на линии насыщения

							Pr
0	0,1013	999.9	4,212	55,1	1,789	1789	13,67
20	0,1013	998,2	4,183	60,0	1,006	1006	7,02
40	0,1013	999,2	4,174	63,5	0,659	659	4,31
60	0,1013	983,2	4,178	66,0	0,478	478	2,98
80	0,1013	971,8	4,195	67,6	0,366	366	2,21
100	0,1013	968,4	4,220	68,3	0,291	291	1,75
120	0,1985	943,1	4,250	68,7	0,252	252	1,47
140	0,3614	926,1	4,287	68,6	0,216	216	1,25
160	0,6180	907,4	4,346	68,4	0,191	191	1,11
180	1,003	886,9	4,417	67,6	0,173	173	1,00
220	2,320	840,3	4,614	64,6	0,148	148	0,89

 

Таблица 5