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 5950 3360	0,24 460х981 0,5 1,35 1,0 275 1,6 150 470 981 2310 710 100 - 307 645 180 150 5935 11480	0,62 650х1885 0,5 2,95 1,55 700 1,6 150 650 1885 3270 1170 140 - 1089 3090 288 150 6810 18360
Примечания: 1. Стандартные условия - максимальный расход жидкости, параметры греющего теплоносителя 70 - 15°С, нагреваемого - 5 - 60°С. 2. Номенклатура теплообменников "Альфа-Лаваль" не ограничена типами аппаратов, приведенных в таблице. 3. Материал пластин - нержавеющая сталь АISI 316, материал прокладок - ЕРDМ.

Таблица 5

Технические характеристики паяных пластинчатых теплообменников "Цетепак" производства компании "Цететерм"

Показатель	СР410	СР415	СР422	СР422-2V*	СР500	СР500-2V*
Поверхность нагрева пластины, м2 Габариты пластины hxa, 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 Основные размеры теплообменника в изоляции hхахl, мм Диаметр патрубков, мм Масса теплообменника, кг, при числе пластин: минимальном** максимальном	0,025 311х112 0,4 0,1 0,05 150 2,5 225 360х182х320 25 - -	0,05 520х103 0,4 0,17 0,094 80 2,5 225 590х182х260 25 - -	0,095 617х192 0,4 0,35 0,21 150 2,5 225 670х284х508 50 20 75		0,28 950х364 0,4 1,26 0,52/0,7 200 2,5/1,6 225 1200х450х818 65/100 69,6 246
Максимальный расход нагреваемой воды при потере давления 100 кПа, м3/ч	20	12	62	26	340	165
Коэффициент теплопередачи при стандартных услови- ях***, Вт/(м2 x °С)	2420	-	-	3090	-	1700
Тепловая мощность при стандартных условиях, кВт	95 (СР410-150-2V)	-	-	440 (СР422-150-2V)	-	2000 (СР500-200-2V)
Максимальная тепловая мощность, кВт, при параметрах теплоносителя 150 - 76/105 - 70°С	300	250	1200	800	4000	2500
* Теплообменники этой модели предназначены для ГВС с двухступенчатым подогревом воды в одном корпусе. ** Число пластин подбирается с шагом 10 пластин при минимальном числе 10 пластин. *** Стандартные условия - максимальный расход жидкости, параметры греющего теплоносителя 70 - 15°С, нагреваемого - 5 - 60°С. Примечания: 1. Теплообменники поставляются в комплекте с изоляцией. 2. Числа через дробь означают параметры для первичного и вторичного теплоносителей. 3. Материал пластин - АISI 316.

Таблица 6

Технические характеристики пластинчатых теплообменников фирмы "АРV" для теплоснабжения

Показатель	Неразборные паяные			Разборные с резиновыми прокладками
	BD4	BD7	BF2	N25	N35	N50	M60	M92
Поверхность нагрева пластины, м2 Габариты пластины, мм Минимальная толщина пластины, мм Масса пластины, кг Объем воды в канале, л Рабочее давление, МПа Максимальная температура, °С Диаметр патрубков, мм Максимальное число пластин в установке, шт. Габариты установки, мм: hхa длина, не более " " менее Стандартное число пластин в установке Масса установки, кг: не более не менее	0,04 290х120 0,4 0,14 0,03 3,0 220 25 93 290х120 246 48 7, 11, 17, 25, 33, 43, 63, 93 14,4 2,4	0,07 525х120 0,4 0,26 0,052 3,0 220 25 93 525х120 246 48 7, 11, 17, 25, 33, 43, 63, 93 26,2 4,0	0,14 574х235 0,4 0,42 0,133 3,0 220 65 123 574х235 315 48 7, 11, 17, 25, 33, 43, 63, 93, 123 58,4 10,5	0,25 924х368 0,5 1,3 0,7 1,0 150 80 39/83* 1249х450 570(10/2) 370(10/1) - 310 210	0,35 1200х368 0,5 1,79 0,95 1,0 150 80 39/83* 1525х450 570(10/2) 370(10/1) - 410 300	0,5 1614х368 0,5 2,45 1,3 1,0 150 80 39/83* 1939х450 570(10/2) 370(10/1) - 460 380	0,6 1188х740 0,5 3,08 2,05 1,0 150 200 91/151* 1560х886 1340(10/2) 1090(10/1) - 1755 1330	0,92 1563х740 0,5 4,22 2,77 1,0 150 200 91/151* 1935х906 1340(10/2) 1090(10/1) - 2270 170
* Перед чертой - для рамы 10/1, за чертой - 10/2. Примечания: 1. Материал пластин: неразборных - АISI 316, разборных - АISI 304, материал прокладок разборных - ЕРDМ. 2. Номенклатура теплообменников "АРV" не ограничивается типами аппаратов, приведенных в таблице.

Таблица 7

Технические характеристики пластинчатых теплообменников фирмы "СВЕП" для теплоснабжения

Показатель	Неразборные паяные					Разборные с резиновыми прокладками
	В25	В35	В45	В50	В65	Gх6NI	Gх12Р	Gх18Р	Gх26Р	Gх42Р	Gх51Р
Поверхность нагрева пластины, м2 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 Диаметр подсоединительных патрубков, мм Масса установки при максимальном числе пластин, кг Максимально эффективная тепловая мощность, кВт, при параметрах теплоносителя 150 - 80/105 - 70°С и Дельта Р_нап не более 150 кПа Коэффициент теплопередачи, Вт/(м2 х °С) Эффективное число пластин, шт. Тепловая мощность, кВт, при стандартных условиях Коэффициент теплопередачи, Вт/(м2 х °С), при стандартных условиях Эффективное число пластин, шт. (через дробь - число ходов)	0,063 0,234 0,095 120 3,0 185 117 524 317 25 30,6 350 5970 42 450 6210 117/2	0,093 0,336 0,141 200 3,0 185 241 392 518 40 71,4 550 7880 52 - - -	0,128 0,427 0,188 200 3,0 185 241 524 518 65 119 900 6570 48 1500 6260 189/2	0,112 0,424 0,188 250 3,0 185 241 524 670 65 119 2200 7820 140 - - -	0,270 1,080 0,474 300 3,0 185 362 864 790 100 900 6100 7035 140 4100 5150 297/2	0,070 - - 100 1,0 150 160 745 500 25 38* 400 12920 21 430 7980 79/3	0,120 - - 160 1,6 150 320 840 1090 50 127* 550 9380 23 750 7080 89/4	0,180 - - 160 1,6 150 320 1070 1090 50 183* 1500 11 550 33 1050 7030 85/3	0,275 - - 450 1,6 150 460 1265 3080 100 363* 3000 10 810 47 - - -	0,450 - - 450 1,6 150 460 1675 3080 100 554* 7300 9500 77 9500 7320 74/2	0,550 - - 450 1,6 150 630 1730 3130 150 1138* 15 000 11 840 101 - - -
* Масса принята для числа пластин, требуемых при обеспечении мощности нижеследующей строки. Примечания: 1. Стандартные условия - максимальный расход жидкости, ограниченный допустимыми скоростями и потерями давления в водоподогревателе по нагреваемой воде не более 150 кПа; параметры теплоносителя: греющего 70 - 15°С, нагреваемого 5 - 60°С. 2. Материал пластин - нержавеющая сталь АISI 316 толщиной 0,3 - 0,6 мм, материал прокладок - ЕРDМ. 3. Номенклатура теплообменников не ограничена типами аппаратов, приведенных в таблице.

Расчет водоподогревателя, собранного из пластичных теплообменников фирмы "Альфа-Лаваль" (технические характеристики см. в табл. 4), показывает, что в I ступень требуется установить теплообменник М15-BFG8 с числом пластин 64, площадь поверхности нагрева 38,4 (коэффициент теплопередачи - 4350 ).

Во II ступени требуется теплообменник М10-ВFG с числом пластин 71, площадь поверхности нагрева 16,6 (коэффициент теплопередачи - 5790).

Потери давления в обеих ступенях при прохождении максимального секундного расхода нагреваемой воды и том же коэффициенте загрязнения составляют 186 кПа.

В табл. 5, 6, 7 приведены технические характеристики теплообменников "Цетепак", "АРV" и "СВЭП".