 |
Поверхностей теплообменных элементов и аппаратов
|
|
|
|
ТЕПЛООБМЕННОЕ ОБОРУДОВАНИЕ КОМПРЕССОРНЫХ, ХОЛОДИЛЬНЫХ, ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
И СИСТЕМ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ
Методические указания по проведению
лабораторных и практических работ
Омск – 2007
Составители: Январев Игорь Анатольевич, канд. техн. наук, доцент;
Пиляева Юлия Александровна
Для студентов, обучающихся по специальностям 150801 «Вакуумная и компрессорная техника физических установок», 140401 «Техника и физика низких температур», 240100 – “Химическая технология и биотехнология”, 240801 «Машины и аппараты химических производств».
Печатается по решению редакционно-издательского совета ОмГТУ.
Лабораторная работа № 1
Определение геометрических характеристик теплопередающих
поверхностей теплообменных элементов и аппаратов
Цель работы:
Изучение конструктивных особенностей теплопередающих поверхностей и теплообменных элементов основных видов теплообменных аппаратов, применяемых в компрессорных, холодильных, технологических установках и системах кондиционирования и определение их геометрических характеристик.
Основные конструкции теплообменных аппаратов, применяемых в компрессорных, холодильных, химико-технологических установках и системах кондиционирования отображены на рис. 1.1. К ним относятся:
а)
|
д)
|
б)
| 
е)
|
в)
| 
ж)
|
г)
| 
з)
|
Рис. 1.1. Основные типы теплообменных аппаратов
кожухотрубные теплообменники (КТА) (рис. 1.1а), трубчато-ребристые теплообменники (ТРТ) (рис. 1.1б), пластинчато-ребристые теплообменники (ПРТ) (рис. 1.1в), труба в трубе (ТТ) (рис. 1.1г), змеевиковые тепло-обменники (ЗТ) (рис. 1.1д), пленочные теплообменники (ПТ) (рис. 1.1е), форсуночные теплообменники (ФТ) (рис. 1.1ж), пластинчатые теплообменники (ПлТ) (рис. 1.1з).
|
|
|
К числу наиболее распространенных теплообменных аппаратов, которые используются в компрессорных установках относятся прежде всего кожухотрубные, трубчато-ребристые и пластинчато-ребристые теплообменники. Рассмотрим их более подробно.
Кожухотрубные теплообменники (рис. 1.2) состоят из трубного пучка 1 с коридорным (рис. 1.2б) или шахматным (рис. 1.2в) расположением труб, установленного в корпусе 2 между двумя трубными досками 3,4. С торцевых сторон к корпусу 2 подсоединены крышки 5,6 с патрубками 7,8 для подвода и отвода в трубное пространство охлаждающей воды (воспринимающая тепло среда). С боковых сторон к корпусу 2 подсоединены патрубки 9,10 для подвода охлаждаемой среды (отдающая тепло среда), например сжатого газа, масла в межтрубное пространство.
а)
б) в)
Рис. 1.2. Кожухотрубный теплообменник
Для обеспечения многоходового движения сред в межтрубном пространстве и в пространстве между крышками 5,6 и трубными досками 3,4 устанавливаются перегородки 11,12.
Трубчато-ребристые теплообменники (рис. 1.3) имеют трубный пучок 1, состоящий из нескольких рядов оребренных труб, соединенных со сборными коллекторами 2,3. Подвод и отвод охлаждающей среды в трубное пространство осуществляется с помощью патрубков 4,5. Охлаждающая среда (атмосферный воздух) подается в межтрубное пространтсво вентилятором через коллектор 6. Оребрение труб может быть пластинчатым, спирально-навивным, спирально-накатным, проволочным, стерженьковым и т.д.
Рис. 1.3. Трубчато-ребристый теплообменник
Пластинчато-ребристые теплообменники (рис. 1.4) состоят из пакета, образованного набором гофрированных насадок 1, между которыми установлены проставочные листы 2 с образованием чередующихся каналов для охлаждаемой и охлаждающей сред. Для обеспечения герметичности этих каналов между проставочными листами 2 с двух противоположных сторон установлены боковые уплотняющие бруски 3,4. Для подвода и отвода сред к пакету присоединены коллекторы 5–8 с соответствующими патрубками 9–12.
|
|
|
Рис. 1.4. Пластинато-ребристый теплообменник
Анализ теплообменного оборудования компрессорных, холодильных, химико-технологических установок и систем кондиционирования выявил самый широкий спектр возможных вариантов конструктивного исполнения применяемых в них теплообменных объектов.
Теплообменный объект – устройство либо совокупность устройств, для передачи теплоты от среды (сред) с более высокой температурой к среде (средам) с более низкой температурой.
По конструктивной сложности можно выделить следующие теплообменные объекты ТО:
– модуль теплопередающей поверхности (МТП), представляющий собой часть поверхности теплообмена, полностью характеризующий ее конструктивную специфику (например, для КТА – труба произвольной длины, ребро на трубе, для ПРТ – характерная часть гофрированной насадки);
– теплопередающая поверхность (ТП) – поверхность теплообмена, состоящая из одинаковых модулей (например, для КТА пучок гладких или оребренных труб, для ПРТ – гофрированная насадка, определенного вида);
– теплообменный элемент (ТЭ) – характерная часть теплопередающей поверхности, ограниченная конструктивными элементами с целью образования полостей для движения двух теплообменивающихся сред, с элементарной схемой их взаимодействия (например, для ПРТ теплообменный элемент на базе пластинчато-ребристой поверхности);
– теплообменный аппарат (ТА) – конструктивно-автономный теплообменный объект из одной или нескольких теплопередающих поверхностей, ограниченных конструктивными элементами с целью образования полостей для движения двух и более теплообменивающихся сред с произвольной схемой их взаимодействия (элементы, ряды, комплексы, системы элементов), и имеющий устройства для входа и выхода сред.
Если в теплообменном аппарате взаимодействует более двух сред, то аппарат является системой теплообменников, которая конструктивно-компоновочно может быть выполнена в виде одного ТА, секции ТА, блока ТА, или теплообменной группы:
|
|
|
Таким образом, теплопередающая поверхность и теплообменный элемент определяют конструктивную специфику и условия, при которых осуществляется теплообмен между средой и стенкой и между двумя средами соответственно.
Например, на рис. 1.5 изображен теплообменный элемент (рис. 1.5а), образованный пластинчато-ребристой теплопередающей поверхностью и ее разновидности (рис. 1.5б-е).
а) б) в)
г) д) е)
Рис. 1.5. Теплообменный элемент и виды теплопередающих поверхностей пластинчато-ребристого теплообменника
В общем случае все теплообменные аппараты характеризуются различными геометрическими показателями и размерами, среди которых как общие следует выделить:
– площадь полной теплообменной поверхности со стороны отдающей (горячей) 
и воспринимающей (холодной) 
сред;
– площадь поверхности оребрения со стороны отдающей 
и воспринимающей 
сред;
– коэффициент оребрения со стороны отдающей 
и воспри-нимающей 
сред;
– компактность теплообменной поверхности со стороны отдающей 
и воспринимающей 
сред;
– площадь проходного сечения по отдающей 
и воспринимающей 
средам;
– габариты, а именно длина L, ширина В, и высота H теплообменника (без учета коллекторов).
Кроме того, каждый вид теплообменника характеризуется своими геометрическими характеристиками.
Так, для проведения тепловых и гидравлических расчетов кожухотрубных и трубчато-ребристых теплообменников необходимо знать:
– компоновку труб в пучке, характеризуемую расстояниями между соседними трубами (
– расстояние между трубами по фронту движения среды, 
– расстояние между трубами вдоль тракта движения среды), пучки характеризуются также относительными поперечными (
) и продольными (
) расстояниями между осями труб (поперечные и продольные шаги), где 
– наружный диаметр труб (рис. 1.2б,в);
– общее количество труб 
(количество труб в первом ряду 
, количество рядов труб 
);
– эквивалентный диаметр межтрубного пространства 
, внутренний 
и наружный диаметр труб 
, диаметр по оребрению 
(рис. 1.6);
|
|
|
– характеристики оребрения, а именно шаг 
, высоту 
, толщину 
ребер (рис. 1.6);
– число ходов по трубному и межтрубному пространству или по отдающей 
, воспринимающей 
средам;
Рис. 1.6. Теплопередающая поверхность кожухотрубного
или трубчато-ребристого теплообменника
Для расчета пластинчато-ребристых теплообменников необходимо знать:
– тип геометрии пластинчато-ребристых теплопередающих поверхностей или насадок (прямоугольная, эвольвентная, треугольная, просечная и т.д.);
– параметры насадки, а именно высота ребра , шаг ребер , толщина ребра , наименьшее расстояние между ребрами 
, эквивалентный диаметр канала 
(рис. 1.7);
– компоновку слоев каналов по отдающей и воспринимающей средам (Г-Х: 
=1, 
=1; Г-ХХ: =1, =2; ГГ-Х: =2, =1);
– число ходов по отдающей , воспринимающей средам.
Рис. 1.7. Теплопередающая поверхность (насадка)
пластинчато-ребристого теплообменника
Формулы для расчета геометрических характеристик теплопередающих поверхностей, теплообменных элементов и аппаратов приведены в табл. 1.1-1.2.
Таблица 1.1
Расчет геометрических характеристик КТА и ТРТ
| № п/п | Наименование | Обозначение | Формула |
| Эквивалентный диаметр межтрубного пространства КТА с гладкими трубами, м |
|  , (1.1)
где D – диаметр корпуса
| |
| Эквивалентный диаметр межтрубного пространства КТА с оребреными трубами, м |
|
 , (1.2)
|
Окончание табл. 1.1
| Площадь теплообменной поверхности, м2 : – полная для гладких труб; – полная для оребренных труб; – оребренная (с круглыми ребрами) |
F
F
|
 (1.3)
π L тр ·n тр{(1 – δр/τ р ) dн +
+[ d ор δр + (d ор2– dн 2)/2] E р/τр } (1.4)
 (1.5)
где  – длина труб;
 – эффективность ребра
| |
| Площадь проходного сечения, м2: – при поперечном обтекании пучка гладких труб; – при продольном обтекании гладких труб, – при поперечном обтекании оребренных труб (между двумя соседними трубами) |
|
 (1.6)
 (1.7)
(S1– d н) L тр – (d ор – d н) δр ·
· [ L тр /(τ р + δ р) ] (1.8)
где  – число руб на диагонали
| |
| Коэффициент оребрения | φ | F/Fгл =[(d ор2 – d н2) / 2+ d ор ·δр + + d н(τ р - δ р )] / (d н τ р ) (1.9) | |
| Компактность теплообменной поверхности | β | F/V, (1.10) где V –объем теплообменной поверхности |
Таблица 1.2
Расчет геометрических характеристик ПРТ
| № п/п | Наименование | Обозна- чение | Формула |
| Длина ребра, м | 
|  (1.11)
| |
| Периметр канала, м | 
|  (1.12)
| |
| Свободное сечение одного канала, м2 | 
|  (1.13)
| |
| Эквивалентный диаметр канала, м |
|  (1.14)
| |
| Свободное сечение 1 метра насадки, м2/м |
|  (1.15)
|
|
|
|
Окончание табл. 1.2
| Компактность ребер однослойной насадки, м2/м3 | 
|  (1.16)
| |
| Компактность полной поверхности насадки, м2/м3 | 
|  (1.17)
| |
| Компактность ребер пз слоев, м2/м3 | 
|  (1.18)
| |
| Площадь полной поверхности теплообмена, м2 | F |  (1.19)
где  – длина по фронту движения среды;  – длина по тракту движения среды;
 – длина брусков
| |
| Площадь оребренной поверхности теплообмена, м2 | Fр |  (1.20)
| |
| Площадь проходного сечения, м2 | Fпр |  (1.21)
| |
| Коэффициент оребрения | φ |  (1.22)
|
Порядок выполнения работы
1. Ознакомиться с основными конструкциями теплообменных аппаратов компрессорных установок (КТА, ТРТ, ПРТ).
2. Произвести измерения базовых геометрических характеристик теплопередающих поверхностей кожухотрубных или трубчато-ребристых теплообменников (рис. 1.6) и пластинчато-ребристых теплообменников и занести в табл. 1.3.
3. Произвести измерения базовых геометрических характеристик теплопередающих поверхностей пластинчато-ребристых теплообменников (рис. 1.7) и занести в табл. 1.4.
4. Изучить методику определения всех геометрических характеристик, необходимых для проведения проектных и поверочных расчетов теплообменных аппаратов кожухотрубной, трубчато-ребристой или пластинчато-ребристой конструкции и произвести расчет тех, которые указаны в табл. 1.5.
5. Определить массовый расход воды, движущейся в трубном пространстве теплопередающей поверхности КТА со скоростью w=0,5 м/с.
6. Определить объемный расход воздуха, движущегося в межтрубном пространстве теплопередающей поверхности ТРТ со скоростью w=8 м/с.
7. Определить массовый расход сжатого воздуха (Р=0,9 МПа), движущегося в каналах пластинчато-ребристой теплопередающей поверхности со скоростью w=4,5 м/с.
Таблица 1.3
Результаты измерений базовых геометрических характеристик
кожухотрубного и трубчато-ребристого теплообменников
| № п/п | Наименование характеристик | Обозна- чение | Значение |
| Компоновка пучка: – расположение труб в пучке; – шаг по фронту; – шаг по глубине | -- S1 S2 | ||
| Параметры оребрения, м: – размеры ребер (высота, ширина, диаметр); – расстояние между ребрами; – толщина ребра | h, b, d ор τр δр | ||
| Диаметр трубы, м: – внутренний; – наружный | dвн dн | ||
| Длина трубного пучка, м | Lтр | ||
| Число труб в пучке, шт. | nтр | ||
| Число ходов | Zхо, Zхв |
Таблица 1.4
Результаты измерений геометрических характеристик
пластинчато – ребристого теплообменника
| № п/п | Наименование характеристик | Обозна- чение | Значение |
| Вид гофрированной насадки | |||
| Параметры насадки, м: – высота ребер; – шаг ребер; – наименьшее расстояние между ребрами | hо, hв τо, τв Sо, Sв | ||
| Размеры теплообменника, м: – длина; – ширина; – высота | L B H | ||
| Толщина бруска, м | 
| ||
| Компоновка теплообменника: – компоновка слоев (Г-Х, Г-ХХ, ГГ-Х); – число слоев | Zo, Zв | ||
| Число ходов | Zxo, Zxв |
Таблица 1.5
Результаты расчета геометрических характеристик теплообменников
| № п/п | Наименование характеристик | Обозна- чение | Значение |
| Эквивалентный диаметр, м | dэо, dэв | ||
| Площадь поверхности теплообмена, м2 : – полная; – оребренная | Fо, Fв Fр о, Fр в | ||
| Площадь проходного сечения, м2 | Fпр о, Fпр в | ||
| Коэффициент оребрения | φо φв | ||
| Компактность поверхности теплообмена, м2/м3 | βо, βв |
Содержание отчета
1. Указать название и цель работы.
2. Привести чертежи изучаемых теплообменников.
3. Привести табл. 1.3–1.5 с измеряемыми и расчетными геометрическими характеристиками теплообменников.
4. Дать сравнительную оценку геометрических характеристик изучаемых теплообменников.
Список рекомендуемой литературы
1. Берман, Я.А. Системы охлаждения компрессорных установок / Я.А. Берман, О.Н. Маньковский, Ю.Н.Марр, А.П. Рафалович. – Л.: Машиностроение, 1984. 228 с.
2. Парфенов, В. П. Основы расчетов и оптимизации комбинированных систем охлаждения компрессорных установок: учеб. пособие / В.П. Парфенов, И.А. Январев. Омск: Изд-во ОмГТУ, 1996. 127 с.
3. Справочник по теплообменным аппаратам / П.И. Бажан, Г.Е. Каневец, В.М. Селиверстов. – М.: Машиностроение, 1989. 366с.
4. Жукаускас, А.А. Конвективный перенос в теплообменниках / А.А. Жукаускас. М.: Наука, 1982. 472 с.
5. Справочник по теплообменникам / Перевод с англ. под ред. О.Г.Мартыненко. М.: Энергоатомиздат., 1987. Т. 2 352с.
6. Канавец, Г.Е. Теплообменники и теплообменные системы / Г.Е. Каневец. Киев: Наукова думка, 1981. 272с.
7. Январев, И.А. Теплообменное оборудование и системы охлаждения компрессорных, холодильных и технологических установок: учеб. пособие / И.А. Январев, В.Л. Юша, В.П. Парфенов, В.А. Максименко, А.Д. Ваняшов. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2005. 450 с.
Лабораторная работа № 2
|
|
|
