Пластинчастий теплообмінник системи гарячого водопостачання

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вінницький національний технічний університет

(повне найменування вищого навчального закладу)

Кафедра теплоенергетики

(повна назва кафедри, циклової комісії)

КУРСОВИЙ ПРОЕКТ

з дисципліни «Теплотехнологічні процеси та установки»

(назва дисципліни)

на тему: «Пластинчастий теплообмінник системи гарячого водопостачання»

Кучер Н.А.

Вінниця ВНТУ 2018

Анотація

В курсовій роботі спроектовано розрахунок теплообмінного апарата.

Проведено компонувальний розрахунок теплообмінного апарата, який слугує для підігріву гарячої води.

Виконано гідравлічний розрахунок та визначено втрати опорів.

зМІСТ

Вступ

1. Характеристика об'єкта проектування та його аналіз

1.1 Вимоги до теплообмінників

1.2 Класифікація теплообмінників загального призначення

2. Вибір пластинчастого теплообмінника

2.1 Основні види пластинчастих теплообмінних апаратів та їх особливості

2.1.1 Розбірні пластинчасті теплообмінники

2.1.2 Напіврозбірні пластинчасті теплообмінники

2.1.3 Нерозбірні зварені пластинчасті теплообмінники

2.2 Класифікація та види тепло передаючих пластин

3. Розробка пластинчастого теплообмінника

3.1 Проектний розрахунок теплообмінного апарата

3.2 Компонувальний розрахунок

3.3 Гідравлічний розрахунок

Висновки

Література

Додатки

Вступ

• У різних галузях сучасного промислового виробництва проблеми інтенсифікації численних технологічних процесів пов'язані із значною зміною або підтримкою температурного рівня продукту виробництва. Істотна роль в організації таких технологій належить апаратам, що забезпечують підведення теплоти до продукту виробництва або робочого тіла від зовнішнього джерела [1]. теплообмінник пластинчастий гідравлічний
• Завдання ефективного перенесення теплоти від одного теплоносія до іншого залежно від конкретних умов і вимог промисловості виключають використання однотипних конструктивних рішень. У дуже великій групі апаратів перенесення теплоти здійснюється через тверде тіло. Пряме змішення (контакт) теплоносіїв різного енергетичного рівня в таких апаратах неприпустимо, що обумовлене різноманітністю природи, хімічного складу і агрегатного стану теплоносіїв. Технологічно виключено забруднення теплоносія, що нагрівається, іншою речовиною (гріючим середовищем). Апарати перенесення теплоти від одного теплоносія до іншого за допомогою твердого тіла і через його поверхню називають поверхневими. Серед таких апаратів слід розрізняти дві групи.
• До першої відносяться апарати, у яких перенесення енергії (теплоти) від одного теплоносія до іншого здійснюється безпосередньо через те, що розділяє їх тверде тіло. Це так звані рекуперативні теплообмінники. Розділяючи стінка (тверде тіло) виконує лише одну найважливішу функцію роздільника двох потоків речовини різного температурного рівня.
• Друга група апаратів включає ті, у яких перенесення енергії відбувається в результаті періодичної взаємодії потоків речовини різного енергетичного рівня з твердим тілом. Тверде тіло виконує функцію накопичувача (акумулятора) теплової енергії. Ця група апаратів називається регенеративними теплообмінними апаратами, оскільки теплова енергія одного теплоносія регенерується іншим з твердого тіла. Вони необхідні найчастіше в кінці технологічного ланцюжка, коли енергетичний (температурний) рівень викиду з технологічного процесу дуже високий, так що інженерна реалізація надійно і тривало працюючого рекуперативного теплообмінного апарату практично виключена, а викиди (відходи) процесу не можуть бути повернені в технологічний ланцюжок.
• Оскільки апарати двох названих груп об'єднує те, що перенесення енергії (теплоти) між потоками здійснюється унаслідок взаємодії рухомих потоків речовини з твердим тілом, то математичні моделі обох груп повинні описуватися одними і тими ж системами рівнянь.
• Очевидно, що тільки особливості безперервної і циклічної взаємодії теплоносіїв з твердим тілом, що відбиваються в граничних умовах, виділяють єдине рішення в загальних і в приватних постановках завдань [2].
• Метою курсового проекту є отримання практичних навичок розробки пластинчастого теплообмінника системи гарячого водопостачання.
• Завданням курсового проекту є виконання проектного, компонувального та гідравлічного розрахунків.

• 1. Характеристика об'єкта проектування та його аналіз
• 1.1 Вимоги до теплообмінників
• Різноманіття вихідних даних визначає основні вимоги до теплообмінних апаратів.
• Апарат повинний володіти визначеною пропускною здатністю для кожного з робочих середовищ при заданому рівні гідравлічних опорів.
• Застосування конкретного типорозміру апарата повинне забезпечити передачу необхідної кількості теплоти з одержанням необхідних кінцевих температур робочих середовищ.
• При заданому тепловому навантаженні й інших рівних вихідних параметрах робочих середовищ апарат повинний мати найменші габаритні розміри і найменшу металоємність, тобто процес теплообміну повинний протікати найбільш інтенсивно.
• Процес теплообміну в апараті повинний протікати стабільно в часі при неминучих змінах фізичних (а можливо, і хімічних) властивостей робочого середовища: в'язкості, щільності, теплопровідності, фазового стану і т.д.
• Апарат повинний мати визначений запас міцності, що гарантує його безпечну експлуатацію при механічних навантаженнях, що виникають як від тиску робочих середовищ, так і внаслідок температурних деформацій різних частин теплообмінника.
• Поверхня теплообміну й інші елементи конструкції апарата, омивані робочими середовищами, повинні мати достатню стійкість до хімічного (агресивного) і ерозійного впливу протягом заданих термінів експлуатації.
• При використанні робочих середовищ, що виділяють відкладення на поверхнях теплообміну, конструкція апарата повинна передбачати можливість періодичних оглядів поверхонь теплообміну і їх механічне або хімічне очищення.
• В окремих областях застосування з'являються додаткові вимоги до теплообмінних апаратів [3].
• 1.2 Класифікація теплообмінників загального призначення
• Теплообмінні апарати мають велике розповсюдження у всіх галузях промисловості і широко застосовуються в теплосилових установках. Залежно від призначення теплообмінні апарати називаються підігрівачами, конденсаторами, випарниками, паро перетворювачі і так далі.
• За принципом дії теплообмінні апарати діляться на поверхневі і змішувачі.
• У свою чергу поверхневі теплообмінні апарати діляться на рекуперативні і регенеративні.
• Якщо теплообмін між теплоносіями відбувається через розділові стінки, то теплообмінник називають рекуперативним. У апаратах цього типу в кожній точці розділової стінки тепловий потік зберігає постійний напрям.
• Якщо ж два або більше теплоносіїв поперемінно стикаються з однією і тією ж поверхнею нагріву, то теплообмінний апарат називають регенеративним. В період зіткнення з одним з теплоносіїв стінки апарату отримують тепло і акумулюють його; у наступний період зіткнення іншого теплоносія з тією ж поверхнею стінок акумульоване тепло передається теплоносію. Напрям теплового потоку в другому періоді змінюється на протилежний.
• У більшості рекуперативних апаратів здійснюється безперервна передача тепла через стінку від одного теплоносія до іншого. Ці апарати, як правило, є апаратами безперервної дії. Рекуперативні апарати, в яких проводиться періодичний нагрів або охолоджування одне з теплоносіїв, відносять до апаратів періодичної дії.
• Регенеративні теплообмінники в більшості випадків є апаратами періодичної дії; у них різні теплоносії поступають в різні періоди часу. Безперервна робота здійснюється в таких апаратах лише в тому випадку, якщо вони забезпечені рухомими стінками або насадками, що поперемінно дотичними з потоками різних теплоносіїв і безперервно переносять тепло з одного потоку в іншій.
• У теплообмінних апаратах змішувачів тепло- і масообмін здійснюється шляхом безпосереднього контакту і змішення рідких і газоподібних теплоносіїв.
• Залежно від призначення виробничих процесів як теплоносії можуть застосовуватися самі різні газоподібні, рідкі і тверді тіла.
• Конструкції сучасних рекуперативних теплообмінних апаратів поверхневого типу безперервної дії вельми різноманітні. Тому розглянемо тільки найбільш характерні з них.
• Кожухотрубчасті теплообмінниками є апарати, виконані з пучків труб, зібраних за допомогою трубних дошок, і обмежені кожухами і кришками з штуцерами. Трубний і міжтрубний простори в апараті роз'єднані, а кожен з цих просторів може бути розділене за допомогою перегородок на декілька ходів. Перегородки встановлюються з метою збільшення швидкості, а отже, і інтенсивності теплообміну теплоносіїв. Вони застосовуються тоді, коли потрібна велика поверхня теплообміну. Трубки теплообмінників виготовляються прямими тому вони легко доступні для очищення і заміни у разі течі.
• Секційні трубчасті теплообмінники при однакових витратах рідин мають меншу різницю в швидкостях руху теплоносіїв в трубах і між трубному просторі і підвищені коефіцієнти теплопередачі в порівнянні із звичайними трубчастими теплообмінниками.
• Для невеликих потужностей доцільне застосування теплообмінників типу «труба в трубі», що відносяться також до секційних, але конструктивно спрощеним апаратом: у зовнішню трубу вставлена труба меншого діаметру, відсутні трубні грати і фланці, всі елементи апарату сполучені зваркою.
• Спіральні теплообмінники складаються з двох листів, згорнутих у вигляді спіралі і утворюючих два канали прямокутного перетину, по яких подають теплоносії. Ширину каналу між листами приймають в межах (8-16) мм.
• Пластинчасті теплообмінники бувають різних конструкцій; їх зазвичай застосовують, коли коефіцієнти теплообміну для обох теплоносіїв однакові [4].

• 2 Вибір пластинчастого теплообмінника
• 2.1 Основні види пластинчастих теплообмінних апаратів та їх особливості
• Особливістю пристрою пластинчастих теплообмінних апаратів (теплообмінників) є конструкція і форма поверхні теплообміну і каналів для робочих середовищ. Поверхня теплообміну утворюється з окремих пластин, а канали для робочих середовищ мають щілиновидну форму. Робочі середовища рухаються у поверхні теплообміну тонким шаром, що сприяє інтенсифікації процесу тепловіддачі. Форми пластин і профілі їх поверхні дуже різноманітні.
• Технічні переваги пластинчастих теплообмінників:
• - скорочення площі, займаного теплообмінним устаткуванням
• - мала величина недогрівання для теплообмінника
• - самоочищення теплообмінника
• - високий ККД теплообмінника
• - низькі втрати тиску на теплообміннику
• - зниження витрати електроенергії на електричні насоси
• - низькі трудовитрати при ремонті устаткування
• - короткі терміни ремонту устаткування
• - компактність
• - широкий типорозмірний ряд устаткування
• - все устаткування відповідає міжнародним і Українським вимогам і стандартам
• - якість теплообмінного устаткування знаходиться на високому рівні
• - теплообмінне устаткування має нижчу вартість завдяки досконалим технологіям і продуманим витратам при його виробництві.

• 2.1.1 Розбірні пластинчасті теплообмінники
• Конструкція розбірного пластинчастого теплообмінника представлена на рисунку 2.1
• Рисунок 2.1 - Схема розбірного теплообмінника
• 1 - плита нерухома, 2 - напрямна верхня, 3 - плита нажимна, 4 - напрямна нижня, 5 - болт стяжний, 6 - пластина проміжна, 7 - пластина кінцева, 8 - прокладка проміжна, 9 - прокладка кінцева, 10 - стійка, 11 - шайба стяжного болта, 12 - гайка стяжного болта, 13 - куточок кріплення плити, 14 - болт, 15- гайки, 16- куточка кріплення стійкі, 17 - болти кріплення верхньої та нижньої напрямної.
• Конструктивно пластинчастий теплообмінник складається з набору гофрованих пластин, виготовлених з корозійностійкого матеріалу, з каналами, які утворюються між двома сусідніми пластинами, для рідин, які беруть участь в процесі теплообміну. Пакет пластин розміщений між опорною і притискною плитами і закріплений стяжними болтами. Кожна пластина забезпечена прокладкою з термостійкої гуми, що ущільнює з'єднання і направляє різні потоки рідин у відповідні канали. Гофрована поверхня пластин забезпечує високий ступінь турбулентності потоків і жорсткість конструкції теплообмінника. Розміщення патрубків для введення і відведення середовищ можливо як на опорній, так і притискній плитах. Пластини виготовляються з харчової неіржавіючої сталі 12Х18Н10Т або AISI 304;316, а прокладки - з гумової суміші харчового призначення ПС-04 (EPDM) твердість, що має, по Шору 75 од. і максимальну робочу температуру до 175 °С.
• Розбірні теплообмінники складаються з пакету пластин, розділених між собою прокладками. Розбірні теплообмінники застосовуються в системах теплопостачання, і в інших теплообмінних процесах. Розбірні теплообмінники застосовуються для різних неагресивних середовищ, наприклад: вода тепломережі, етилен гліколь, масло і так далі А також для агресивних середовищ таких як кислоти різних концентрацій, відпрацьовані гази, мінеральна вода. Такі теплообмінники виготовляються: одноходові та двоходові. Теплообмінні розбірні пластинчасті апарати не вимагають пристрою спеціальних фундаментів. Встановлюють їх безпосередньо на підлозі з гідроізоляцією або на перекритті, розрахованому на відповідне навантаження від маси устаткування. Область їхнього застосування обмежена робочим тиском середовища, що не перевищує 1 МПа (10 кгс/см²), і температурами в інтервалі від -20 до 180°С в залежності від марки гуми або інших матеріалів, застосовуваних для виготовлення ущільнювальних прокладок. Пропускна здатність цих теплообмінників обмежена витратами рідких середовищ до 200--300 м³/год чи витратами чи пар газів до 3500--4500 м³/ч. Гранична пропускна здатність визначається заданими припустимими гідравлічними опорами для кожного середовища в апараті. Площа поверхні теплообміну в конкретному апараті даного типу може бути дорівнює від 10 до 320 м² і мати практично безупинний розмірний ряд на рамах трьох різних виконань.
• 2.1.2 Напіврозбірні пластинчасті теплообмінники
• Створення розбірної поверхні теплообміну, доступної для оглядів і механічного очищення, є складною задачею. Гума й інші еластичні матеріали, використовувані для виготовлення прокладок у вузлах ущільнення, мають обмежену теплову і корозійну стійкість, і в зв'язку з цим прокладки є найменш зносостійкими елементами конструкції теплообмінника. Тому розбірні з'єднання пластин раціонально застосовувати лише при безумовній їхній необхідності. У промисловості дуже розповсюджений випадок, коли одне з робочих середовищ, що беруть участь у теплообміні, не залишає на поверхні теплообміну забруднення, що вимагає розбирання апарата для їхнього механічного очищення. Конструкція напіврозбірного пластинчастого конденсатора типова для великих промислових апаратів. Апарат призначений для конденсації пари чи парогазової суміші при надлишковому тиску робочих середовищ від 0,1 до 1,6 МПа і температурі від --20 до +180 ^оС. Апарат може застосовуватися для нагрівання рідких чи газоподібних середовищ парою, що конденсується, а також у якості теплообмінника для рідких і газоподібних середовищ за умови відсутності на поверхні теплообміну забруднень, що важко видалити хімічним промиванням хоча б від одного робочого середовища.
• 2.1.3 Нерозбірні зварені пластинчасті теплообмінники
• У деяких технологічних лініях вимагаються теплообмінники великої одиничної теплової продуктивності. Такі теплообмінники повинні працювати тривалий час при тому самому технологічному режимі, наприклад з газоподібними робітничими середовищами, що не дають забруднень на поверхнях теплообміну. Зварений моноблок пластин міститься між двома кінцевими плитами, що сприймають на себе навантаження від тиску робочих середовищ. Основною деталлю розмірного ряду таких нерозбірних пластинчастих теплообмінників є гофрована пластина площею поверхні 1 м² квадратної форми. Такі теплообмінники призначені для конвективного теплообміну рідких, газоподібних чи пароподібних середовищ без зміни їхнього агрегатного стану. Умовою застосування зварених теплообмінників є відсутність у процесі експлуатації нерозчинних відкладень на поверхнях теплообміну. Застосування таких теплообмінників припустимо до тиску робочих середовищ 4 МПа (40 кгс/см²). Максимально припустима робоча температура робочих середовищ до 300 °С. Конструкція пластини і її форма пристосовані тільки для перехресного руху робочих середовищ. Гофри на пластинах мають у поперечному перерізі форму рівнобедреного трикутника з підставою (кроком гофр) 18 і висотою 4 мм.
• 2.2 Класифікація та види тепло передаючих пластин
• Пластини в основному розділяють за формою профілю робочої поверхні. Такий поділ з аналізом геометричних параметрів дає можливість чітко розрізняти теплові і гідромеханічні характеристики основних типів пластин.
• Конструкція гофрованих пластин для розбірних теплообмінників приведені на рисунку 2.2. Пластини розбірних теплообмінників мають по контуру паз, в якому закріплені прокладки ущільнювачів. При стисненні пластин прокладки деформуються і створюють герметичну систему каналів, по яких рухається теплоносій і робоче середовище.
• Рисунок 2.2. - Конструкції гофрованих пластин
• а--пластина типу 0,5Е з гофрами в “ялинку”; б-- пластина типу 0,5Г з горизонтальними гофрами.
• Гофри по обидві сторони від базової площини пластини заввишки 3,6+1. Для турбулізації прикордонного шару і інтенсифікації тепловіддачі прийняті гофри трикутного профілю в поперечному перетині з висотою, рівною 3,6 мм в один бік від базової площини пластини і 1 мм в інший бік. Між гофрами є майданчики шириною в 6 мм. Гофри розміщені похило по відношенню до поздовжньої осі пластини під кутом 45°. Загальний вид пластини профіль гофр в поперечному перетині показані на рисунку 2.3. Така форма гофрування дозволяє отримати сітчасто-потокові канали з інтенсифікаційною дією на пристінний шар. Крім того, порівняно мала глибина витяжки гофр позволює штампувати пластини з малопластичних матеріалів з коефіцієнтом відносного подовження не більше 30%.
• Рисунок. 2.3. - Пластини з гофрами по обидві сторони від базової площини пластини
• Основним вузлом теплообмінника є теплопередаюча пластина з площею поверхні нагріву 0,6 м². Такі пластини виготовляють двох модифікацій: з кутами перетину вершин гофр у осі симетрії пластини, рівними 120° і 60°. Загальний вид пластини типу 0,6 в зборі з прокладкою і кутом перетину гофр, рівним 120°, приведений на рисунку 2.5. Пластини збираються в пакет таким чином, що кожна подальша пластина повернена на 180° щодо суміжних, що створює рівномірну сітку перетину і взаємних точок опор вершин гофр. Між кожною парою пластин утворюється щілиновидний канал складної форми, по якому протікає робоче середовище [5].

• Рисунок 2.5. - Сітчасто-потокова пластина

• 3. Розрахунки пластинчастого теплообмінника

3.1 Проектний розрахунок теплообмінного апарата