Приложение 7. Тепловой и гидравлический расчет горизонтальных секционных кожухотрубных водо-водяных подогревателей

Приложение 7

Тепловой и гидравлический расчет
горизонтальных секционных кожухотрубных водо-водяных подогревателей

Горизонтальные секционные скоростные водоподогреватели по ГОСТ 27590 с трубной системой из прямых гладких или профилированных труб отличаются тем, что для устранения прогиба трубок устанавливаются двухсекторные опорные перегородки, представляющие собой часть трубной решетки. Такая конструкция опорных перегородок облегчает установку трубок и их замену в условиях эксплуатации, так как отверстия опорных перегородок расположены соосно с отверстиями трубных решеток.

Каждая опора установлена со смещением относительно друг друга на 60°, что повышает турбулизацию потока теплоносителя, проходящего по межтрубному пространству, и приводит к увеличению коэффициента теплоотдачи от теплоносителя к стенке трубок, а соответственно - возрастает теплосъем с 1 поверхности нагрева. Используются латунные трубки наружным диаметром 16 мм, толщиной стенки 1 мм по ГОСТ 21646 и ГОСТ 494.

Еще большее увеличение коэффициента теплопередачи достигается применением в трубном пучке вместо гладких латунных трубок профилированных, которые изготавливаются из тех же трубок путем выдавливания на них роликом поперечных или винтовых канавок, что приводит к турбулизации пристенного потока жидкости внутри трубок.

Водоподогреватели состоят из секций, которые соединяются между собой калачами по трубному пространству и патрубками - по межтрубному (рис. 1-4 настоящего приложения). Патрубки могут быть разъемными на фланцах или неразъемными сварными. В зависимости от конструкции водоподогреватели для систем горячего водоснабжения имеют следующие условные обозначения: для разъемной конструкции с гладкими трубками - РГ, с профилированными - РП; для сварной конструкции - соответственно СГ, СП (направление потоков теплообменивающихся сред приведено в п. 4.3 настоящего свода правил).

Пример условного обозначения водоподогревателя разъемного типа с наружным диаметром корпуса секции 219 мм, длиной секции 4 м, без компенсатора теплового расширения, на условное давление 1,0 МПа, с трубной системой из гладких трубок из пяти секций, климатического исполнения УЗ: ПВ 219 х 4-1, 0-РГ-5-УЗ ГОСТ 27590.

Технические характеристики водоподогревателей приведены в табл. 1, а номинальные габариты и присоединительные размеры - в табл. 2 настоящего приложения.

Методика расчета водоподогревателей горячего водоснабжения

Таблица 1

Технические характеристики водоподогревателей по ГОСТ 27590

Наружный диаметр корпуса секции D_н, мм	Число трубок в секции n, шт.	Площадь сечения межтруб- ного про- странства f_мтр, м2	Площадь сечения трубок f_тр, м2	Эквива- лентный диаметр межтру- бного прост- ранства d_экв, м	Поверхность нагрева одной секции f_сек, м2, при длине, м		Тепловая производительность Q(sp)_сек, кВт, секции длиной, м				Масса, кг
							Система из труб				секции длиной, м		калача, исполнение		перехода
							гладких (исполне- ние 1)		профилиро- ванных (исполне- ние 2)
					2	4	2	4	2	4	2	4	1	3	1	2
57 76 89 114 168 219 273 325	4 7 10 19 37 61 109 151	0,00116 0,00233 0,00327 0,005 0,0122 0,02139 0,03077 0,04464	0,00062 0,00108 0,00154 0,00293 0,00570 0,00939 0,01679 0,02325	0,0129 0,0164 0,0172 0,0155 0,019 0,0224 0,0191 0,0208	0,37 0,65 0,93 1,79 3,49 5,75 10,28 14,24	0,75 1,32 1,88 3,58 6,98 11,51 20,56 28,49	8 12 18 40 70 114 235 300	18 25 40 85 145 235 475 630	10 15 20 50 90 150 315 400	23 35 50 110 195 315 635 840	23,5 32,5 40,0 58,0 113,0 173,0 262,0 338,0	37,0 52,4 64,2 97,1 193,8 301,3 461,7 594,4	8,6 10,9 13,2 17,7 32,8 54,3 81,4 97,3	7,9 10,4 12,0 17,2 32,8 52,7 90,4 113,0	5,5 6,8 8,2 10,5 17,4 26,0 35,0 43,0	3,8 4,7 5,4 7,3 13,4 19,3 26,6 34,5
Примечания: 1 Наружный диаметр трубок 16 мм, внутренний - 14 мм. 2 Тепловая производительность определена при скорости воды внутри трубок 1 м/с, равенстве расходов теплообменивающихся сред и температурном напоре 10°С (температурный перепад по греющей воде 70 - 15 °С, нагреваемой - 5 - 60°С). 3 Гидравлическое сопротивление в трубках не более 0,004 МПа для гладкой трубки и 0,008 МПа - для профилированной при длине секции 2 м и соответственно не более 0,006 МПа и 0,014 МПа при длине секции 4 м; в межтрубном пространстве гидравлическое сопротивление равно 0,007 МПа при длине секции 2 м и 0,009 МПа при длине секции 4 м. 4 Масса определена при рабочем давлении 1 МПа. 5 Тепловая производительность дана для сравнения с подогревателями других типоразмеров или типов.

Таблица 2

Номинальные габариты и присоединительные размеры водоподогревателей, мм

Наружный диаметр корпуса секции D_н, мм	D	D_1	D_2	d	d_н	H	h	L	L_1	L_2		L_3 по рис.4
										исполнение по рис. 3
										1	3
57 76 89 114 168 219 273 325	160 180 195 215 280 325 390 440	45 57 76 89 114 168 219 219	145 160 180 195 215 280 335 335	145 160 180 195 245 280 335 390	45 57 76 89 133 168 219 273	200 200 240 300 400 500 600 600	100 100 120 150 200 250 300 300	2225; 4225 2265; 4265 2320; 4320 2350; 4350 2490; 4490 2610; 4610 2800; 4800 2800; 4800	2000; 4000	133 143 170 210 310 415 512 600	146 178 217 250 340 450 600 600	70 80 85 90 140 150 190 190

1. Для выбора необходимого типоразмера водоподогревателя предварительно задаемся оптимальной скоростью нагреваемой воды в трубках, равной м/с, и исходя из двухпоточной компоновки каждой ступени определяем необходимое сечение трубок водоподогревателя , , по формуле

. (1)

В соответствии с полученной величиной и по табл. 1 выбираем необходимый типоразмер водоподогревателя.

2. Для выбранного типоразмера водоподогревателя определяем фактические скорости воды в трубках и межтрубном пространстве каждого водоподогревателя при двухпоточной компоновке по формулам:

; (2)

. (3)

3. Коэффициент теплоотдачи , , от греющей воды к стенке трубки определяется по формуле

, (4)

где

. (5)

Эквивалентный диаметр межтрубного пространства, м, определяется по формуле

. (6)

Для выбранного типоразмера водоподогревателя принимается по табл. 1.

4. Коэффициент теплоотдачи , , от стенки трубки к нагреваемой воде определяется по формуле

, (7)

где

. (8)

5. Коэффициент теплопередачи водоподогревателя k, , следует определять по формуле

, (9)

где - коэффициент эффективности теплообмена: для гладкотрубных водоподогревателей с опорами в виде полок , для гладкотрубных с блоком опорных перегородок , для профилированных и с блоком опорных перегородок ;

- коэффициент, учитывающий загрязнение поверхности труб в зависимости от химических свойств воды, принимается .

6. При заданной величине расчетной производительности водоподогревателя по полученным значениям коэффициента теплопередачи k и среднелогарифмической разности температур определяется необходимая поверхность нагрева водоподогревателя F по формуле (1) прил. 5.

7. Число секций водоподогревателя в одном потоке N, шт., исходя из двухпоточной компоновки определяется по формуле

. (10)

Если величина N, полученная по формуле (10), имеет дробную часть, составляющую более 0,2, число секций следует округлять в большую сторону.

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

для нагреваемой воды, проходящей в гладких трубках:

а) при длине секции 4 м

; (11)

б) при длине секции 2 м

; (12)

где - коэффициент, учитывающий накипеобразование; принимается по опытным данным, при их отсутствии - следует принимать ;

для нагреваемой воды, проходящей в профилированных трубках, в формулах (11) и (12) вводится повышающий коэффициент 3;

для греющей воды, проходящей в межтрубном пространстве:

. (13)

Коэффициент В приведен в табл. 3.

Таблица 3

 /----------------------------------------------------------------------\

 |    Наружный диаметр     |          Значение коэффициента В           |

 | корпуса секции D_н, мм  |--------------------------------------------|

 |                         |            при длине секции, м             |

 |                         |--------------------------------------------|

 |                         |           2            |         4         |

 |-------------------------+------------------------+-------------------|

 |            57           |           25           |         30        |

 |            76           |           25           |         30        |

 |            89           |           25           |         30        |

 |           114           |           18           |         25        |

 |           168           |           11           |         25        |

 |           219           |           11           |         20        |

 |           273           |           11           |         20        |

 |           325           |           11           |         20        |

 \----------------------------------------------------------------------/

Пример расчета для двухступенчатой схемы присоединения водоподогревателей горячего водоснабжения с ограничением максимального расхода воды из тепловой сети на ввод и регулированием подачи теплоты на отопление

Выбрать и рассчитать водоподогревательную установку для системы горячего водоснабжения центрального теплового пункта на 1516 условных квартир (заселенность - 3,5 чел. на квартиру), оборудованную водоподогревателями, состоящими из секций кожухотрубного типа с трубной системой из прямых гладких трубок и блоками опорных перегородок по ГОСТ 27590.

Водоподогреватели присоединены к тепловой сети по двухступенчатой смешанной схеме с ограничением максимального расхода воды из тепловой сети на ввод.

Система отопления присоединена к тепловым сетям по зависимой схеме с автоматическим регулированием подачи теплоты.

Баки-аккумуляторы нагреваемой воды как в ЦТП, так и у потребителей отсутствуют.

Исходные данные:

1. Регулирование отпуска теплоты в системе централизованного теплоснабжения принято центральное, качественное по совмещенной нагрузке отопления и горячего водоснабжения.

2. Температура теплоносителя (греющей воды) в тепловой сети в соответствии с принятым для данной системы теплоснабжения графиком изменения температуры воды в зависимости от температуры наружного воздуха принята:

при расчетной температуре наружного воздуха для проектирования отопления :

в подающем трубопроводе ;

в обратном трубопроводе ;

в точке излома графика температуры :

в подающем трубопроводе ;

в обратном трубопроводе .

3. Температура холодной водопроводной (нагреваемой) воды в отопительный период, поступающей в водоподогреватель I ступени, (по данным эксплуатации).

4. Температура воды, поступающей в систему горячего водоснабжения на выходе из II ступени водоподогревателя, .

5. Максимальный тепловой поток на отопление потребителей, присоединенных к ЦТП, Вт.

6. Расчетная тепловая производительность водоподогревателей Вт.

7. Максимальный расчетный секундный расход воды на горячее водоснабжение л/с.

Порядок расчета:

1. Максимальный расход сетевой воды на отопление

2. Максимальный расход греющей воды на горячее водоснабжение

3. Для ограничения максимального расхода сетевой воды на ЦТП в качестве расчетного принимается больший из двух расходов, полученных по пп. 1, 2

4. Максимальный расход нагреваемой воды через I и II ступени водоподогревателя

5. Температура нагреваемой воды за водоподогревателем I ступени

6. Расчетная производительность водоподогревателя I ступени

7. Расчетная производительность водоподогревателя II ступени

8. Температура греющей воды на выходе из водоподогревателя II ступени и на входе в водоподогреватель I ступени

9. Температура греющей воды на выходе из водоподогревателя I ступени

10. Среднелогарифмическая разность температур между греющей и нагреваемой водой для I ступени водоподогревателя

11. Среднелогарифмическая разность температур между греющей и нагреваемой водой для II ступени водоподогревателя

12. В соответствии с п. 1 настоящего приложения определяем необходимое сечение трубок водоподогревателя при скорости воды в трубках и двухпоточной схеме включения

По табл. 1 настоящего приложения и полученной величине подбираем тип водоподогревателя со следующими характеристиками:

(при длине секции 4 м);

13. Скорость воды в трубках при двухпоточной компоновке

14. Скорость воды в межтрубном пространстве при двухпоточной компоновке

15. Расчет водоподогревателя I ступени:

а) средняя температура греющей воды

б) средняя температура нагреваемой воды

в) коэффициент теплопередачи от греющей воды к стенке трубки

г) коэффициент теплоотдачи от стенки трубки к нагреваемой воде

д) коэффициент теплопередачи при

Коэффициент принят равным 1,2 для гладких трубок;

е) требуемая поверхность нагрева водоподогревателя I ступени

ж) число секций водоподогревателя I ступени при длине секции 4 м

Принимаем 5 секций в одном потоке; действительная поверхность нагрева будет

16. Расчет водоподогревателя II ступени:

а) средняя температура греющей воды

б) средняя температура нагреваемой воды

в) коэффициент теплопередачи от греющей воды к стенке трубки

г) коэффициент теплоотдачи от стенки трубки к нагреваемой воде

д) коэффициент теплопередачи при

е) требуемая поверхность нагрева водоподогревателя II ступени

ж) число секций водоподогревателя II ступени

Принимаем 2 секции в одном потоке, действительная поверхность нагрева будет

В результате расчета получилось по 2 секции в каждом водоподогревателе II ступени и 5 - в каждом водоподогревателе I ступени суммарной поверхностью нагрева 161 .

17. Потери давления в водоподогревателях (7 последовательных секций в каждом потоке):

для воды, проходящей в трубках (с учетом )

для воды, проходящей в межтрубном пространстве

Коэффициент В принимается по табл. 3 настоящего приложения.

При применении водоподогревателя с профилированными трубками необходимое число секций в I ступени составит 3 секции, а во II - 2 секции в одном потоке. Потери давления по нагреваемой воде с коэффициентом составляют 300 кПа.

В 1994 г. на московском заводе "Сатэкс" освоен выпуск кожухотрубных многоходовых водоподогревателей с I и II ступенями нагрева в одном корпусе (рис. 5), технические характеристики которых приведены в табл. 4 настоящего приложения. Тепловая производительность определена для условий, близких к реальным в системе теплоснабжения:

для водоподогревателей горячего водоснабжения: температурный перепад по греющей воде 70 - 30 °С, по нагреваемой - 5 - 60°С, максимальные потери давления по нагреваемой воде, направляемой по трубкам, - 27 - 36 кПа (ИТП - ЦТП);

для водоподогревателей отопления: температурный перепад по греющей воде - 150 - 76°С, по нагреваемой, направляемой по межтрубному пространству, при применении в ИТП - 105 - 70°С и максимальной потере давления - 30 кПа; при применении в ЦТП - 120 - 70°С и максимальной потере давления - 60 кПа (потери давления приняты везде для нового, чистого теплообменника).

Запас в поверхности нагрева принят 20%.

В пересчете на расчетный режим работы по ГОСТ 27950-88Е (скорость воды в трубках 2 м/с) эти же установки ТМПО и ТМПГ, применяемые в ИТП, будут иметь характеристики, приведенные в табл. 5. При этом достигаются такие же коэффициенты теплопередачи, как и в пластинчатых водоподогревателях на максимальных скоростях теплоносителей.

С 1996 г. на том же заводе "Сатэкс" начат выпуск водоподогревателей установки полуразборной конструкции облегченного типа (рис. 6) для тепловых пунктов, размещаемых в подвале здания.

Таблица 4

Технические характеристики горизонтальных многоходовых, кожухотрубных водоподогревателей с профилированной трубкой для систем отопления и горячего водоснабжения

Обозначение

Тепло- вая мощ- ность, кВт

Площадь поверхности нагрева, м2

Число ходов (сек- ций)

Площадь сечения

Размер трубки d_в/ d_н, мм

Эквива- лентный диаметр, мм

Наружный диаметр корпуса D_н, мм

Габариты a х l х h, мм

Масса, кг

Потери давления

Макси- мальный расход нагрева- емой воды, м3/ч

Коэффициент тепло- передачи, Вт/(м2 х °С)

трубок, м2

межтрубного пространства, м2

по труб- кам, кПа

по межтруб- ному простра- нству, кПа

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

Теплообменники многоходовые для отопления в ИТП (параметры теплоносителей 150 - 76/105 - 70°С, нагреваемая вода по межтрубному пространству) ТМПО 76х2-1,0-5-УЗ | 270 | 3,25 | 5 | 0,00108 | 0,00233 | 14/16 | 0,0164 | 500 | 0,55х2,51х0,73 | 350 | 20 | 29 | 6,7 | 5180 ТМПО 89х2-1,0-5-УЗ | 380 | 4,65 | 5 | 0,00154 | 0,00327 | 14/16 | 0,0172 | 565 | 0,62х2,53х0,80 | 500 | 19 | 29 | 9,4 | 5120 ТМПО 114х2-1,0-5-УЗ | 585 | 8,95 | 5 | 0,00293 | 0,0050 | 14/16 | 0,0155 | 670 | 0,73х2,59х0,94 | 700 | 13 | 29 | 14,4 | 4760 ТМПО 133х2-1,0-5-УЗ | 880 | 10,80 | 5 | 0,0040 | 0,0075 | 14/16 | 0,0197 | 670 | 0,73х2,65х1,07 | 900 | 15 | 29 | 21,6 | - ТМПО 168х2-1,0-5-УЗ | 1430 | 17,45 | 5 | 0,0057 | 0,0122 | 14/16 | 0,0190 | 895 | 0,95х2,69х1,20 | 1020 | 19 | 29 | 35,1 | 5080

Теплообменники многоходовые для горячего водоснабжения в ИТП (параметры теплоносителей 70 - 30/5 - 60°С, нагреваемая вода по трубкам) ТМПГ 76х2-1,0-7-УЗ | 200 | 4,55 | 7 | 0,00108 | 0,00233 | 14/16 | 0,0164 | 500 | 0,55х2,51х0,73 | 400 | 27 | 16 | 3,1 | 3090 ТМПГ 89х2-1,0-7-УЗ | 280 | 6,51 | 7 | 0,00154 | 0,00327 | 14/16 | 0,0172 | 565 | 0,62х2,53х0,8 | 560 | 27 | 17 | 4,4 | 3100 ТМПГ 114х2-1,0-7-УЗ | 540 | 12,53 | 7 | 0,00293 | 0,0050 | 14/16 | 0,0155 | 670 | 0,73х2,59х0,94 | 760 | 27 | 26 | 8,4 | 3430 ТМПГ 133х2-1,0-7-УЗ | 735 | 15,12 | 7 | 0,0040 | 0,0075 | 14/16 | 0,0197 | 670 | 0,73х2,65х1,07 | 960 | 27 | 22 | 11,5 | - ТМПГ 168х2-1,0-7-УЗ | 1050 | 24,43 | 7 | 0,0057 | 0,0122 | 14/16 | 0,0190 | 895 | 0,95х2,69х1,21 | 1140 | 27 | 16 | 16,4 | 3050

Теплообменники многоходовые для отопления в ЦТП (параметры теплоносителей 150 - 76/120 - 70°С, нагреваемая вода по межтрубному пространству) ТМПО 168х4-1,0-4-УЗ | 2550 | 27,92 | 4 | 0,0057 | 0,0122 | 14/16 | 0,0190 | 670 | 0,73х4,69х0,94 | 1220 | 76 | 60 | 43,9 | 6920 ТМПО 219х4-1,0-4-УЗ | 4470 | 46,0 | 4 | 0,00939 | 0,02139 | 14/16 | 0,0224 | 895 | 0,95х4,74х1,20 | 2240 | 85 | 60 | 77,0 | 6915 ТМПО 273х4-1,0-4-УЗ | 6420 | 82,24 | 4 | 0,01679 | 0,03077 | 14/16 | 0,0191 | 1010 | 1,10х4,83х1,31 | 2800 | 55 | 60 | 110,8 | 6590

Теплообменники многоходовые для горячего водоснабжения в ЦТП при двухпоточной схеме (параметры, как и в ИТП) ТМПГ 114х4-1,0-4+4-УЗ| 1350 | 28,64 | 4+4 |2х0,00293 | 2х0,0050 | 14/16 | 0,0155 | 2х565 | 2,15х4,59х0,84 | 1560 | 36 | 49 | 21,1 | 3810 ТМПГ 133х4-1,0-4+4-УЗ| 1840 | 34,56 | 4+4 |2х0,0040 | 2х0,0075 | 14/16 | 0,0197 | 2х565 | 2,25х4,64х0,90 | 2000 | 36 | 32 | 28,8 | - ТМПГ 168х4-1,0-4+4-УЗ| 2620 | 55,84 | 4+4 |2х0,0057 | 2х0,0122 | 14/16 | 0,0190 | 2х670 | 2,35х4,69х0,94 | 2440 | 36 | 25 | 41,0 | 3360 ТМПГ 210х4-1,0-4+4-УЗ| 4310 | 92,0 | 4+4 |2х0,00939 | 2х0,02139 | 14/16 | 0,0224 | 2х895 | 2,8х4,74х1,20 | 4480 | 36 | 28 | 67,6 | 3200 ТМПГ 273х4-1,0-4+4-УЗ| 7710 | 164,48 | 4+4 |2х0,01679 | 2х0,03077 | 14/16 | 0,0191 | 2х1010 | 3,0х4,83х1,31 | 5600 | 36 | 34 | 120,9 | 3610

Теплообменники многоходовые для горячего водоснабжения в ЦТП при однопоточной схеме (параметры, как и в ИТП) ТМПГ 168х4-1,0-4-УЗ | 1310 | 27,92 | 4 | 0,0057 | 0,0122 | 14/16 | 0,0190 | 670 | 0,73х4,69х0,94 | 1220 | 36 | 25 | 20,5 | 3360 ТМПГ 219х4-1,0-4-УЗ | 2150 | 46,0 | 4 | 0,00939 | 0,02139 | 14/16 | 0,0224 | 895 | 0,95х4,74х1,20 | 2240 | 36 | 28 | 33,8 | 3200 ТМПГ 273х4-1,0-4-УЗ | 3850 | 82,24 | 4 | 0,01679 | 0,03077 | 14/16 | 0,0191 | 1010 | 1,10х4,83х1,31 | 2800 | 36 | 34 | 60,5 | 3610

Примечание. Рабочее давление - 1МПа, максимальная температура теплоносителя - 150°С, запас по поверхности нагрева - около 20%. Условное обозначение при заказе: ТМПО - теплообменник многоходовой с профильной трубкой для отопления; ТМПГ - то же, для горячего водоснабжений; далее - диаметр корпуса секции, длина секции, давление; число секций в теплообменнике (две цифры через "+"- двухпоточная схема); УЗ - вид климатического исполнения теплообменника по ГОСТ 15150.

Таблица 5

Технические характеристики многоходовых водоподогревателей с профилированной трубкой при расчетном режиме работы ( = 2 м/с)

Обозначение	Поверхность нагрева, м2	Масса, кг	Тепловая мощность, кВт	Коэффициент теплопере- дачи, Вт/ (м2 х °С)	Потери давления, кПа, по
					трубкам	межтрубному пространст- ву
ТМПО 76х2-1,0-5-УЗ ТМПО 89х2-1,0-5-УЗ ТМПО 114х2-1,0-5-УЗ ТМПО 168х2-1,0-5-УЗ ТМПГ 76х2-1,0-7-УЗ ТМПГ 89х2-1,0-7-УЗ ТМПГ 114х2-1,0-7-УЗ ТМПГ 168х2-1,0-7-УЗ	3,25 4,65 8,95 17,45 4,55 6,51 12,53 24,43	350 500 700 1020 400 560 760 1140	550 760 1415 2900 400 560 1080 2100	10 520 10 240 11 520 10 310 6180 6200 6860 6100	122 119 125 116 170 170 170 170	180 180 190 180 100 105 160 100