Приложение 8. Пример теплового и гидравлического расчета пластинчатых водоподогревателей (по ГОСТ 15518)

Приложение 8

Пример теплового и гидравлического расчета пластинчатых водоподогревателей (по ГОСТ 15518)

В соответствии с каталогом ЦИНТИхимнефтемаш (М., 1990) 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. 1 и 2.

Допускаемые температуры теплоносителей определяются термостойкостью резиновых прокладок. Для теплообменников, используемых в системах теплоснабжения, обязательным является применение прокладок из термостойкой резины, марки которой приведены в табл. 3.

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 , затем - конструктивное исполнение (в соответствии с табл. 2), марка материала пластины и марка материала прокладки (в соответствии с табл. 3). После условного обозначения приводится схема компоновки пластин.

Таблица 1

Техническая характеристика пластин

Показатель	Тип пластины
	0,3р	0,6р	05Пр
Габариты (длина х ширина х толщина), м2 Поверхность теплообмена, м2 Вес (масса), кг Эквивалентный диаметр канала, м Площадь поперечного сечения канала, м2 Смачиваемый периметр в поперечном сечении канала, м Ширина канала, мм Зазор для прохода рабочей среды в канале, мм Приведенная длина канала, м Площадь поперечного сечения коллектора (угловое отверстие на пластине), м2 Наибольший диаметр условного прохода присоединяемого штуцера, мм Коэффициент общего гидравлического сопротивления Коэффициент гидравлического сопротивления штуцера дзета Коэффициенты: А Б	1370х300х1 0,3 3,2 0,008 0,0011 0,66 150 4 1,12 0,0045 65(80) 19,3 --------- Re(0,25) 1,5 0,368 4,5	1375х600х1 0,6 5,8 0,0083 0,00245 1,188 545 4,5 1,01 0,0243 200 15 --------- Re(0,25) 1,5 0,492 3,0	1380х650х1 0,5 6,0 0,009 0,00285 1,27 570 5 0,8 0,0283 200 15 ---------- Re(0,25) 1,5 0,492 3,0

Таблица 2

Техническая характеристика и основные параметры пластинчатых теплообменных аппаратов

Показатель	Тип пластины
	0,3р	0,6р	0,5Пр
1	2	3	4
Тип аппарата Расход теплоносителя (не более), м3/ч Номинальная площадь поверхности теплообмена аппарата, м2, и исполнение на раме: консольной (исполнение 1) двухопорной (исполнение 2) трехопорной с промежуточной плитой (исполнение 3) Расчетное давление, МПа (кгс/см2) Габарит теплообменников, мм	Разборный | 50 | 200 | | | | | | | | От 3 до 10 | От 10 до 25 | От 12,5 до 25 | От 31,5 до 160 | | - | От 200 до 300 | | | 1(10) | 1(10) | | 650х400х1665 | 605х750х1800 |		Полуразборный 200 - От 31,5 до 140 От 160 до 320 1,6(16) 2,5(25) 2570х650х1860 (3500)

Таблица 3

Характеристики прокладок для пластин

Условное обозначе- ние прокладок	Марка материала и технические условия	Каучуковая основа	Температура рабочей среды, °С
0 1 2 3 4	Резина 359 (ТУ 38-1051023-89) Резина 4326-Г (ТУ 38-1051023-89) Резина 51-3042 (ТУ 38-1051023-89) Резина 51-1481 (ТУ 38-1051023-89) Резина ИРП-1225 (ТУ 38-1051023-89)	СКМС-30 и АРКМ-15 (бутадиенметил- стирольный каучук) СКН-18 (бутадиеннит- рильный каучук) СКЭПТ (этиленпропилен- диеновый каучук) СКЭП (этиленпропилен- диеновый каучук) СКФ-32 и ИСКФ-26 (фторированный каучук)	От -20 до + 80 От -30 до +100 До 150 До 150 От -30 до +200

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 , на консольной раме, в коррозионностойком 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 ).

Пластины попарно сварены по контуру, образуя блок. Между двумя сваренными пластинами имеется закрытый (сварной) канал для теплофикационной греющей воды. Разборные каналы допускают давление в них до 1 МПа (10 ).

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

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 ), до 150°С и перепаде давлений теплоносителей не более 0,3 МПа (3 ).

1. Методика расчета пластинчатых водоподогревателей основана на использовании в них всего располагаемого напора теплоносителей с целью получения максимальной скорости каждого теплоносителя и соответственно максимального значения коэффициента теплопередачи или при неизвестных располагаемых напорах по оптимальной скорости нагреваемой воды, как и при подборе кожухотрубных водоподогревателей.

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

. (1)

Если соотношение ходов получается >2, то для повышения скорости воды целесообразна несимметричная компоновка, т.е. число ходов теплообменивающихся сред будет неодинаковым (рис. 1-3 настоящего приложения). 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.

2. 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 м/с.

Поэтому, выбрав тип пластины рассчитываемого водоподогревателя горячего водоснабжения, по оптимальной скорости находим требуемое количество каналов по нагреваемой воде :

, (2)

где - живое сечение одного межпластинчатого канала.

3. Компоновка водоподогревателя симметричная, т.е. . Общее живое сечение каналов в пакете по ходу греющей и нагреваемой воды

. (3)

4. Находим фактические скорости греющей и нагреваемой воды, м/с

; (4)

. (5)

В случае если соотношение ходов, определенное по формуле (1), оказалось >2 (при подстановке кПа, а кПа - для I ступени), водоподогреватель собираем из двух раздельных теплообменников и более и в формулах (4) или (5) расход того теплоносителя, у которого получилось меньше ходов, уменьшаем соответственно в 2 раза и более.

5. Коэффициент теплоотдачи , , от греющей воды к стенке пластины определяется по формуле

, (6)

где А - коэффициент, зависящий от типа пластин, принимается по табл. 1 настоящего приложения;

.

6. Коэффициент тепловосприятия , , от стенки пластины к нагреваемой воде принимается по формуле

, (7)

где .

7. Коэффициент теплопередачи k, , определяется по формуле

, (8)

где - 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.

8. При заданной величине расчетной производительности и по полученным значениям коэффициента теплопередачи k и температурному напору определяется необходимая поверхность нагрева по формуле (1) прил. 5.

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

9. Количество ходов в теплообменнике Х:

, (9)

где - поверхность нагрева одной пластины, .

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.

10. Действительная поверхность нагрева всего водоподогревателя определяется по формуле

. (10)

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

для нагреваемой воды

; (11)

для греющей воды

; (12)

где - 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 ;

Б - коэффициент, зависящий от типа пластины, принимается по табл. 1 настоящего приложения;

- скорость при прохождении максимального секундного расхода нагреваемой воды.

Пример расчета

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

1. Проверяем соотношение ходов в теплообменнике I ступени по формуле (1), принимая кПа и кПа,

.

Соотношение ходов не превышает 2, следовательно, принимается симметричная компоновка теплообменника.

2. По оптимальной скорости нагреваемой воды определяем требуемое число каналов по формуле (2)

.

3. Общее живое сечение каналов в пакете определяем по формуле (3) ( принимаем равным 20)

4. Фактические скорости греющей и нагреваемой воды по формулам (4) и (5):

5. Расчет водоподогревателя I ступени:

а) коэффициент теплоотдачи от греющей воды к стенке пластины, формула (6), принимая из табл. 1 А = 0,492:

б) коэффициент тепловосприятия от стенки пластины к нагреваемой воде, формула (7):

в) коэффициент теплопередачи, принимая , формула (8):

г) требуемая поверхность нагрева водоподогревателя I ступени, формула (1) прил. 5:

д) количество ходов (или пакетов при разделении на одноходовые теплообменники), формула (9):

Принимаем три хода;

е) действительная поверхность нагрева водоподогревателя I ступени, формула (10):

ж) потери давления I ступени водоподогревателя по греющей воде; формула (12), принимая и из табл. 1 Б = 3:

6. Расчет водоподогревателя II ступени:

а) коэффициент теплоотдачи от греющей воды к стенке пластины, формула (6):

б) коэффициент тепловосприятия от пластины к нагреваемой воде, формула (7):

в) коэффициент теплопередачи, принимая , формула (8):

г) требуемая поверхность нагрева водоподогревателя II ступени, формула (1) прил. 5:

д) количество ходов (или пакетов при разделении на одноходовые теплообменники), формула (9):

Принимаем 2 хода;

е) действительная поверхность нагрева водоподогревателя II ступени, формула (10):

ж) потери давления II ступени водоподогревателя по греющей воде, формула (12):

з) потери давления обеих ступеней водоподогревателя по нагреваемой воде, принимая , при прохождении максимального секундного расхода воды на горячее водоснабжение, формула (11):

В результате расчета в качестве водоподогревателя горячего водоснабжения принимаем два теплообменника (I и II 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 ступени - 71,4 , II ступени - 47,4 . Схема компоновки I ступени:

схема компоновки II ступени:

Условное обозначение теплообменников, указываемое в бланке заказов, будет:

I ступени: Р0,6р-0,8-71,4-2K-01-10

II ступени: Р0,6р-0,8-47,4-2K-01-10

Таблица 4

Технические характеристики пластинчатых теплообменников фирмы "Альфа-Лаваль" для теплоснабжения

Показатель	Неразборные паяные			Разборные с резиновыми прокладками
	СВ-51	СВ-76	СВ-300	М3-XFG	M6-MFG	М10-ВFG	М15-ВFG8
Поверхность нагрева пластины, м2 Габариты пластины, мм Минимальная толщина пластины, мм Масса пластины, кг Объем воды в канале, л Максимальное число пластин в установке, шт. Рабочее давление, МПа Максимальная температура, °С Габариты установки, мм: ширина высота длина, не более " " менее Диаметр патрубков, мм Стандартное число пластин Масса установки, кг, при числе пластин: минимальном максимальном Максимальный расход жидкости, м3/ч Потери давления при максимальном расходе, кПа Коэффициент теплопередачи, Вт/(м2 x °С), при стандартных условиях Тепловая мощность, кВт, при стандартных условиях	0,05 50х520 0,4 0,17 0,047 60 3,0 225 103 520 286 58 24 10, 20, 30, 40, 50, 60, 80 5,2 15,4 8,1 150 7700 515	0,1 92х617 0,4 0,44 0,125 150 3,0 225 192 617 497 120 50 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 110, 120, 130, 140, 150 15,8 73,0 39 150 7890 2490	0,3 365х990 0,4 1,26 0,65 200 2,5 225 466 1263 739 - 65/100 - - 309 60/140 150 7545 8940	0,032 140х400 0,5 0,24 0,09 95 1,6 130 180 480 500 240 43 - 38 59 10 150 6615 290	0,14 247х747 0,5 0,8 0,43 250 1,6 160 320 920 1430 580 60 - 146 330 54 150