Розрахунок поверхні підігріву теплообмінника

Размещено на http://www.allbest.ru/

ПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ ТА СКОРОЧЕНЬ

Умовні позначення

a - ширина газоходу, м;

a - коефіцієнт температуропровідності газу (повітря), ;

b - висота газоходу, м;

c_p - питома теплоємність теплоносія, ;

c_k - сторона квадратного ребра, м ;

C_t - поправка у формулі для визначення коефіцієнта тепловіддачі від стінки до внутрішнього середовища, що враховує напрямок теплового потоку і фізичну природу теплоносія;

C_q - коефіцієнт у формулі для коефіцієнта тепловіддачі конвекцією, що враховує вплив форми пучка на процес теплообміну;

C_z - коефіцієнт у формулі для коефіцієнта тепловіддачі конвекцією, що враховує вплив кількості поперечних рядів у пакеті труб на процес теплообміну;

d - діаметр труби, м;

D - масова витрата води, ;

Е - коефіцієнт теоретичної ефективності ребра;

f - площа живого перетину для проходу води, ;

F - площа живого перерізу пучка, ;

G - витрата повітря, , ;

h - висота ребра, м;

h' - умовна висота ребра, м;

Н - площа поверхні теплообміну, ;

i - ентальпія води, ;

k - коефіцієнт теплопередачі, ;

K - коефіцієнт у формулі для визначення коефіцієнта тепловіддачі від стінки до внутрішнього середовища;

l - довжина труби, м;

m - маса частини труби в розрахунку на 1 метр, кг;

m - показник у формулі для коефіцієнта тепловіддачі конвекцією;

M - маса частини труби по всій довжині труб, кг;

n - вартість 1 кг металу, ;

N - вартість металу по всій довжині труб, грн;

n_x - число заходів змійовиків, шт.;

n_p - кількість ребер на оребреній трубі;

P - тиск теплоносія, Па;

Q - теплова потужність теплообмінника, Вт;

R_К - контактний термічний опір, ;

S - крок ребер, м;

S₁ - поперечний крок пучка труб, м;

S₂ - поздовжній крок пучка труб, м;

S'₂ - діагональний крок пучка труб, м;

t, - температура, ;

V - об'єм частини труби (ребра), м³;

w - швидкість теплоносія, ;

Х - параметр форми пучка;

z - кількість труб у теплообміннику, шт.;

z₁ - число поперечних рядів труб у теплообміннику, шт.;

z₂ - число поздовжніх рядів труб у теплообміннику, шт.;

- коефіцієнт тепловіддачі, ;

- параметр ребра, ;

_р - товщина ребра, м;

- відносна похибка температури внутрішньої поверхні труби;

'' - товщина труби, м;

- перепад температур, ;

- параметр пучка;

- коефіцієнт теплопровідності, ;

- коефіцієнт динамічної в'язкості, ;

- коефіцієнт у формулі для визначення приведеного коефіцієнта тепловіддачі;

- коефіцієнт кінематичної в'язкості, ;

- густина теплоносія, ;

- відносна крокова характеристика;

- питомий об'єм, ;

- коефіцієнт істинної ефективності ребра;

- поправочний коефіцієнт у формулі для визначення істинної ефективності ребра;

- коефіцієнт оребрення;

- коефіцієнт у формулі для визначення коефіцієнта тепловіддачі від стінки до внутрішнього середовища.

Індекси

d - визначальним розміром є внутрішній діаметр труби;

f - вода;

max - максимальний;

n - паралельно включені труби;

w - вода при заданих температурі і тиску;

ал. - алюміній;

Б - більша різниця температур;

вн - внутрішній;

вн1 - внутрішній, на 1 метр труби;

г - газ;

д - дійсний;

зовн - зовнішній;

к - тепловіддача конвекцією (від повітря до стінки);

М - менша різниця температур;

н - повна оребрена поверхня;

н1 - стосується повної оребреної поверхні на 1 метр труби;

ор - стосується оребреної ділянки труби;

п - поверхня без урахування вигинів;

поч - початковий;

пр - приведений;

р - ребро;

р.с. - ділянка труби в межах газоходу;

р1 - стосується поверхні ребер на 1 метр довжини труби;

ст. - сталь;

ст - стінка;

т - стінка біметалічних труб;

т1 - стосується гладкої (не зайнятої ребрами) поверхні на 1 метр довжини труби;

у - умовний;

1 - тепловіддача від повітря до поверхні стінки;

2 - тепловіддача від поверхні стінки до води;

1 (для геометричних характеристик) - поперечний крок;

2 (для геометричних характеристик) - поздовжній крок;

' - на вході в теплообмінник;

'' - на виході з теплообмінника;

', '' (при ітерації) - проміжні ітераційні значення;

^Ї - середнє значення.

Числа подібності

Pr - число Прандтля;

Re - число Рейнольдса;

Скорочення

АД-1 - технічний алюмінієво-магнієвий сплав без легування, з обробкою методом зміцнення тиском;

АМіМ - алюмінієво-магнієвий сплав з обробкою методом м'якого випалювання;

ВПТ - водно-повітряний теплообмінник;

ТО - теплообмінник;

ХПРТ-стан - стан холодної прокатки ребристих труб.

ВСТУП

Теплообмінні апарати - пристрої, призначені для передачі тепла від одного теплоносія до іншого з метою здійснення різноманітних теплових процесів: нагріву, охолодження, кипіння, конденсації або більш складних фізико-хімічних процесів - випарки, ректифікації, абсорбції і т.п.

За способом передачі тепла теплообмінники поділяються на поверхневі та змішувальні. В поверхневих теплообмінних апаратах передача тепла від гарячого теплоносія до холодного здійснюється через тверду стінку. У змішувальних теплообмінних апаратах теплообмін здійснюється за умов безпосереднього контакту та змішування рідких та газоподібних теплоносіїв (наприклад, градирні теплових електричних станцій).

Поверхневі теплообмінники поділяються на регенеративні та рекуперативні. У рекуперативних теплообмінниках теплота передається через теплопровідну стінку, що розділяє теплоносії. Приклади таких апаратів: парогенератори, підігрівачі, конденсатори, випарні апарати та ін.

В регенеративних теплообмінниках теплопередача здійснюється в два етапи: спочатку гарячій теплоносій нагріває тверду стінку, яка при цьому акумулює тепло; потім її омиває холодний теплоносій, забираючи тепло.

Конструкційно теплообмінники поділяють на: об'ємні, швидкісні (кожухотрубні), пластинчасті, спіральні.

Одним із методів інтенсифікації процесу теплообміну у теплообміннику є оребрення поверхні теплообміну. Це дозволяє збільшити поверхню теплообміну з боку теплоносія, що має менший коефіцієнт тепловіддачі, і таким чином збільшити тепловий потік через теплообмінник. Ефективність оребрення для рідин можна підвищити, виготовляючи ребра невеликої товщини з металів, для яких характерна висока теплопровідність, як-от алюміній або мідь. З огляду на високу вартість цих металів використовують біметалічні оребрені труби, у яких внутрішня труба виготовлена з порівняно дешевого металу (наприклад, сталі), а зовнішня труба з оребренням - з металу, який має високу теплопровідність або інші специфічні властивості (наприклад, стійкість до корозії).

У даному курсовому проекті розглянуто саме такий тип теплообмінника. В літературному огляді проаналізовано особливості конструкції теплообмінників з біметалічними трубами, їх переваги та недоліки, доцільність використання та основні методи виготовлення біметалічних труб, що використовуються у теплообмінниках. У розрахунковій частині виконано конструкторський розрахунок повітряно-водяного теплообмінника даного типу, поверхню теплообміну в якому забезпечує шаховий пучок оребрених біметалічних труб.

1. ЛІТЕРАТУРНИЙ ОГЛЯД

1.1 Особливості конструкції та умови експлуатації теплообмінників з біметалічними трубами

Сучасні теплообмінні апарати повинні забезпечувати необхідну тепловіддачу на одиницю площі теплообмінника, високу пропускну здатність теплоносіїв при допустимих перепадах тиску, високу корозійну стійкість в агресивних середовищах, надійну роботу протягом тривалого періоду експлуатації, стабільність теплових та гідромеханічних характеристик за рахунок механічної та хімічної очистки поверхні теплообміну, а також зручність в експлуатації [1].

Використання біметалічних труб у теплообмінниках в якості поверхонь теплообміну дозволяє вдосконалити механічні характеристики конструкції та інтенсифікувати процеси теплообміну, що протікають в цих апаратах.

Біметал являє собою композиційний матеріал, що складається з двох і більше шарів різних металів чи їх сплавів. Дешевий метал (звичайна сталь) за допомогою різних технологій покривається шаром більш дорогого металу (корозійностійкого або зі специфічними функціональними властивостями) з одного чи двох боків.

Зазвичай базовою трубою є травлена і калібрована труба зі звичайної аустенітної сталі. В якості покриття (плакування) використовуються, залежно від функціонального призначення труби, корозійностійка (нержавіюча) сталь, титан, латунь, срібло, мідь, нікель, алюміній та інші метали або сплави. Біметалічні труби поєднують властивості основного металу зі специфічними властивостями плакуючого металу, товщина шару якого може складати від 5 до 50% сумарної товщини стінки.

Вибір біметалічних труб залежить від умов функціонування теплообмінника. Біметалічні труби, які складаються з базової труби, виготовленої з вуглецевої сталі, та нікеле-кобальтового покриття, використовуються в апаратах крекінгу нафти, при цьому різко зменшується абразивне зношення трубопроводів. Біметалічні труби зі сталі, плаковані кольоровими металами, часто застосовують при високих тисках, а труби з мідним чи алюмінієвим покриттям - у випадку, коли потребується високий коефіцієнт тепловіддачі.

Біметалічні труби з внутрішнім мідним шаром добре протистоять корозії, спричиненій фузельною водою, нагрітою до (90…100)єС. Ці труби використовують також на лініях конденсату, епюрату, вищих спиртів та інших слабкокислих рідин, які перероблюються в цехах ректифікації та конденсації. В період простоїв такі труби заповняють водою, щоб звести до мінімуму контакт міді з повітрям та уникнути окислення міді.

Багатошарові біметалічні труби мають основний шар з вуглецевої або низьколегованої - сталі та плакуючий шар з корозійностійкої сталі. Від основного шару залежить конструктивна міцність та інші механічні характеристики трубопроводу, а плакуючий шар, який знаходиться в контакті з агресивним середовищем, забезпечує необхідну корозійну стійкість поверхні труби, яка контактує з агресивним середовищем.

Чим товстішою передбачається стінка у трубі, що використовується у теплообміннику, тим вигідніша біметалічна труба. Такий тип труб витримує значне навантаження. Так, сучасна продукція на вітчизняному ринку біметалічних труб має такі механічні властивості: границя міцності (356…400) МПа, границя текучості (267…312) МПа, відносне видовження до 30%.

Виготовляються спеціальні фіттинги та перехідники, використання яких дозволяє досягти більш високої продуктивності роботи теплообмінника. Основні розміри стандартних біметалічних труб задовольняють практично всі конструкторські рішення: зовнішній діаметр від 10 до 76,2 мм; товщина стінки від 0,5 до 3 мм; довжина суцільних труб до 6 м. [2]

Поряд з круглими біметалічними трубами, використовуються оребрені біметалічні теплообмінні елементи - апарати, що складаються з внутрішньої труби і накатаного зовнішнього оребрення, які щільно з'єднані між собою. Залежно від корозійної активності та температури середовища, що охолоджується, базову трубу виготовляють зі сталі вуглецевої чи легованої, або ж із латуні. В цьому випадку трубна решітка з боку продукту наплавляється шаром латуні товщиною (6…8) мм.

Рисунок 1.1 Схематичне креслення оребреної біметалічної труби

Конструкція оребреної біметалічної труби, яка використовується в калорифері, показана на рис.1.1.

Позначення на кресленні:

d_в - діаметр внутрішньої (базової) труби;

d_н - діаметр зовнішньої гладкої труби;

d_ор - діаметр оребреної труби;

S_p - крок ребра;

д_р - товщина ребра;

б_н - коефіцієнт тепловіддачі від газів до оребреної стінки;

б_в - коефіцієнт тепловіддачі від внутрішньої стінки до повітря;

л₁ - коефіцієнт теплопровідності базової труби;

л₂ - коефіцієнт теплопровідності зовнішнього покриття.

Тут плакуюче покриття є зовнішнім шаром. Висока корозійна стійкість досягається за рахунок внутрішньої трубки, виконаної із сталі або кольорового металу. Зовнішня алюмінієва трубка, у свою чергу, має значну ефективність тепловіддачі. Особлива увага при виготовленні звертається на ділянку, де ребро з'єднується з поверхнею труби. Так звану зону термічного впливу необхідно відокремлювати, інакше може відбутися втрата міцності основного металу труби в зоні шва.

Використання біметалічних труб з вуглецевої сталі з оребренням зі сплавів АМіМ та АД-1 у якості вторинних апаратів повітряного охолодження, є перспективним у створенні замкнених двохфазних термосифонів.

Рисунок 1.2 Біметалічний ребристий теплообмінник

Принципова схема теплообмінника з біметалічними трубами показана на рис.1.2.

Позначення на кресленні:

1- теплообмінник;

2- вхід живильної води;

3- вихід живильної води;

4- вхід продуктів згорання;

5- вихід продуктів згорання.

Розглянемо конструкцію теплообмінника з біметалічними трубами на прикладі радіатора. Конструкція біметалічного радіатора має сталевий трубопровід, який забезпечує міцність, і алюмінієве оребрення, яке виготовляється за допомогою заливання під високим тиском розплавленим алюмінієво-кремнієвим сплавом у спеціальній формі сталевої базової труби.

У такому теплообміннику теплоносій (у даному випадку вода) циркулює по цільнотягнутих біметалічних трубах, зварених одна з одною за допомогою автоматичного зварювання без флюсів (присадочних матеріалів), з застосуванням розплаву двох труб. При цьому використовується метод короткого замикання, а також стиснення розплавлених частин труб, які знаходяться під тиском, так, що структура шва майже на 98% співпадає зі структурою металу в трубах. Сталева базова труба забезпечує міцність. Алюміній, який використовується для оребрення, є матеріалом з високою теплопровідністю, тому він добре передає тепло від металу до навколишнього середовища. Крім того, алюміній має порівняно невелику густину, що дозволяє виконати легку трубу.

В конструкції оребрення біметалічного радіатора закладена можливість створення руху охолоджуючого повітря не паралельними шарами (у ламінарному режимі), а з завихреннями (у турбулентному режимі), що сприяє його кращому прогріванню навіть при невисоких температурах радіатора. При виготовленні вертикальних алюмінієвих пластин ребер біметалічної труби можна використати такий крок, який дозволяє створити максимальну вертикальну тягу. При цьому відбувається буквальне втягування холодного повітря внизу радіатора і його вихід назовні вже нагрітим.

Особливість біметалічних радіаторів полягає в тому, що при їх використанні об'єм теплоносія, що циркулює в системі, зменшується в десятки разів порівняно зі сталевими або чавунними теплообмінниками. Тому затрати на нагрівання теплоносія та його прокачування в системі значно зменшуються.

До переваг біметалічних теплообмінників належить те, що при функціонуванні теплообмінника в системі можливе використання більш економних котлів, поверхні теплообміну яких виконані з міді. Це пояснюється тим, що мідь не здатна реагувати на пару зі сталевою базовою трубою радіатора, на відміну від реагування пари з алюмінієм у алюмінієвих радіаторах. [3]

1.2 Переваги використання біметалічних труб у теплообмінниках

- Точність виготовлення. З точки зору геометрії, якість біметалічних труб превалює над якістю зварних труб, особливо при проектуванні і виготовленні складних конструкцій, що містять фіттинги та перехідники. За зовнішніми даними зазвичай неможливо розрізнити біметалічну та стандартну поліровану трубу з нержавіючої сталі навіть у розрізі. Надійне зчеплення шарів забезпечується технологією виготовлення, а роздача забезпечує хорошу геометрію труб.

- Економічна вигідність. З огляду на кон'юнктуру цін на металургійну продукцію, використання матеріалів, які поєднують якість та адекватну ціну, стає головним з елементів у боротьбі за конкурентноздатність продукції. На металургійному ринку біметалічні труби займають проміжне місце між трубами з нержавіючої сталі та хромованими трубами. На відміну від перших, біметалічні труби дешевші на 30-35%; а на відміну від других, більш корозійностійкі. [1]

- Поєднання теплопровідності та жаростійкості з густиною та іншими спеціальними властивостями плакуючого шару.

- Невеликий робочий об'єм біметалічних ТО робить їх малоінерційними. Це дозволяє легко регулювати тепловіддачу як ручним, так і автоматичним способом. Зменшується споживання теплоносія в порівнянні з традиційними ТО. При меншій витраті енергії отримуємо максимальну тепловіддачу. [1]

- Можливість поєднання високого коефіцієнта тепловіддачі плакуючого шару та міцності сталевої базової труби. Відсутність зварних швів зміцнює конструкцію.

- Небезпека корозії та накопичення газів мінімальна. Водяний теплоносій практично не контактує з внутрішнім покриттям, тому утворення водню всередині елементів виключено. Відсутність «кишень» - збірок газів і шлаку.

- За допомогою використання матеріалів, що мають різну теплопровідність і розподіл температур по перерізу нагріву теплоносія, надається можливість уникнути локального перегріву холодоносія, а також іонізації навколишнього середовища, що шкідливо впливає на самопочуття людини. [3]

1.3 Виготовлення біметалічних труб

1.3.1 Основні методи виготовлення біметалічних труб

Розробка способів виготовлення біметалічних труб базується на дослідженнях характеру деформації металу шарів, зміни їх геометричних розмірів, міцності зварювання, структури шарів та границі між ними, фізичних та хімічних властивостей, механічних і технологічних характеристик труб. Вибір початкової заготовки також визначається конкретними умовами.

Основні методи виготовлення біметалічних труб: волочіння заготовки; гаряча деформація біметалічних заготовок на пресах, неперервних, пілігримових, автоматичних установках та волочильних станах; холодна деформація з термодифузійним зварюванням; доцентрове лиття; занурення у розплав; гальванічний спосіб; газотермічне напилення; наплавка електричним та плазмовим нагрівом; зварювання вибухом. Кожен метод має свої переваги і недоліки, а доцільність використання визначається поєднанням металів, сортаментом труб і вимогами до якості.

За допомогою волочіння виготовляється біметалічний дріт та труби з вуглецевої сталі та мідним чи бронзовим плакуванням на короткій оправі, а при необхідності виготовлення труб діаметром менше 32 мм і з товщиною стінки менше 2 мм - холодною прокаткою. При холодному волочінні для труб проводиться термообробка при температурі 750єС протягом 8-9 год. Труби з нікелевим чи кобальтовим плакуванням виготовляються за допомогою волочіння через фільєру з наступним спіканням шарів при індуктивному нагріві. При волочінні відбувається зміна потовщення стінки, а на поверхні плакуючого шару з'являються складки та шорсткість, глибина яких збільшується з ростом деформації та початкової величини зерен.

Пресування біметалічних труб зазвичай проводиться без циліндричного контейнера через конічну матрицю, що забезпечує більш рівномірний розподіл шарів заготовки. Розміри заготовок, пресованих труб і технологічних інструментів - контейнера, матриці та оправки - відомі. Також відомий ступінь деформації. Пресування біметалічних труб більшості поєднань металів проводиться при великих швидкостях і деформаціях. Це враховується при розрахунку істинного опору деформації матеріалу. Процес виготовлення біметалічних труб на пресах і прокатних станах відрізняється від виготовлення одношарових труб лише редукуванням заготовки по внутрішньому діаметру, яке при виготовленні біметалічних труб повинне бути мінімальним. В якості заготовок використовуються сталеві шашки діаметром (63…146) мм та довжиною (170…220) мм. Борти шашок з кінця, що прилягає до прес-матриці, закругляються. Товщина плакуючого шару складає 10% від товщини стінки для торгових сортів та 15-30% для спеціальних. [4]

Спосіб виготовлення біметалічних труб зварюванням вибухом базується на принципі зварювання металів при високій швидкості співудару двох металевих поверхонь, в результаті чого на межі їх розділу виникають значні пластичні деформації і температури, що приводять до зближення металів на відстань взаємодії атомів і збільшують рухливість частинок. [1]

У виготовленні біметалічних труб використовують два види заготовок - двошарові та біметалічні. При виготовленні труб з заготовок та при наступному переділі біметалічних труб у більшості випадків при встановленому процесі деформації відбувається пропорційна деформація металів. Шари формуються таким чином, що на ділянці деформації зберігається сталим так званий коефіцієнт плакування, що являє собою відношення площі поперечного перерізу плакуючого шару до загальної площі поперечного перерізу заготовки. Це забезпечує однакову осьову деформацію шарів. Розрахунок розмірів біметалічних труб виконують звичайним методом. При розрахунку лиття біметалічних труб слід враховувати допуски на механічну обробку.

Наступний метод виготовлення біметалічних труб був запропонований Kawasaki Steel Corporation з метою уникнути недоліків перерахованих способів виготовлення біметалічних труб.

Рисунок 1.3 Установка для виготовлення біметалічних труб [5]

Дана методика виготовлення біметалічної труби ілюструється рис.1.3. Внутрішня труба (2) розміщується у зовнішній (1). Матеріали зовнішньої і внутрішньої труб вибираються таким чином, щоб коефіцієнт температурного розширення внутрішньої труби був менший, ніж коефіцієнт температурного розширення зовнішньої труби. Проміжок між внутрішньою і зовнішньою трубами (3) заповнює з'єднуючий матеріал (нікель, хром, мідь або залізо), який вибирається залежно від матеріалу основних труб. Принаймні одна з контактуючих поверхонь покривається або напилюється з'єднуючим матеріалом. Для запобігання окисненню з'єднуючого матеріалу та зменшення його текучості використовується флюс: хлорид цинку, борна кислота, хлорид літію, сполуки фтору. Обидва кінці внутрішньої трубки герметично закупорюються заглушками (4), після чого структура розміщується в атмосферній камері (5). У внутрішній частині внутрішньої труби встановлюється низький тиск за допомогою детандера (13), або ж за допомогою атмосферорегулюючого балона (14) встановлюється атмосфера інертного газу. Усередині внутрішньої труби з обох кінців нагнітається повітря або інертний газ за допомогою газового балона (12), внаслідок чого у внутрішній трубі встановлюється високий тиск. Тиск повинен бути високим настільки, щоб викликати пластичне розширення внутрішньої труби аж до контакту з внутрішньої поверхнею зовнішньої труби. В той же час структура зонально нагрівається за допомогою напруги від високочастотного джерела (10) до високочастотного нагрівача (6), і переміщення нагрівача спеціальним апаратом (11). Температура нагрівання знаходиться в межах температури плавлення з'єднуючого матеріалу. Нагрівання супроводжується стисненням кінців біметалічної труби за допомогою стискаючого апарату (7) та стискаючого клапана (9). Величина стискаючого навантаження контролюється за допомогою вимірювача навантаження (8). Потім конструкція охолоджується, в результаті чого внутрішня і зовнішня труби тісно з'єднуються.

Якщо з'єднувальний матеріал не використовується, труби з'єднуються описаною установкою лише за рахунок різних коефіцієнтів термічного розширення.



Рисунок 1.4 Установка для виготовлення біметалічних труб [5]

На рис. 1.4 внутрішня труба (2) встановлюється у зовнішній (1), обидва кінці внутрішньої труби закупорюються герметичними заглушками (4), і отримана двошарова труба розміщується у трубоподібний електронагрівач (15). Коли з газового балона (12) накачуються повітря чи інертний газ при нагріванні всієї труби в нагрівачі, внутрішня труба розширюється і прилягає до поверхні зовнішньої труби. Коли біметалічна труба охолоджується після нагрівання, коефіцієнт температурного стиснення зовнішньої труби більший, ніж у внутрішньої, так що зовнішня труба далі стискає внутрішню, що спричиняє міцне з'єднання труб. [5]

1.3.2 Виготовлення біметалічних труб з оребренням

Біметалічні труби з оребренням виготовляються наступними методами.

Широко використовують біметалічні труби з накатаним оребренням, у яких, залежно від корозійної активності та температури охолоджуючого середовища, внутрішню трубу виконують зі сталі вуглецевої, легованої, або ж із латуні. Накатні ребра утворюються з початкової товстостінної гладкої заготовки на станах ХПРТ.



Рисунок 1.5 Стан ХПРТ [6]

Формування трубної заготовки 1 (рис. 1.5) проводиться трьома розташованими під кутом 120° привідними валками 2, осі яких нахилені до осі прокатки на деякий кут (0…6)°, так званий кут подачі. При обертанні валки захоплюють заготовку, передають їй обертальний момент та осьове переміщення, в процесі якого відбувається поступове утворення ребер заданого профілю. В результаті за один прохід отримується остаточний профіль оребреної труби 3. Таким методом виготовляються як монометалічні, так і біметалічні оребрені труби. Біметалічні труби прокочують з гладкої труби-заготовки і внутрішньої (несучої) труби з іншого матеріалу, між якими є зазор. Щільне з'єднання труб між собою відбувається в процесі гвинтової накатки.

Недоліками труб з накатаними ребрами є неможливість отримання значень коефіцієнта оребрення з верхньою межею ? 25 і товщини ребра ? 0,3 мм. Навіть серійне виготовлення труб з накатними ребрами = 20…21 при кроці оребрення S=2,5 мм супроводжується швидким зносом формотворчих дисків. Застосування труб зі зменшеною товщиною ребра дозволяє знизити металоємність трубних секцій на 20% і скоротити в 1,7…2 рази витрату алюмінію на ребра. У процесі накатки ребер від механічного впливу дисків змінюється структура матеріалу ребер і виникає шорсткість бічних поверхонь, що знижує здатність труб чинити опір корозійному впливу навколишнього середовища і підвищує схильність до осадження забруднень.

Метод лиття під тиском використовується для виробництва біметалевих ребристих труб з коефіцієнтом оребрення = 25. Він дозволяє використовувати вторинний силумін і відходи алюмінієвої промисловості. Технологія забезпечує досягнення верхньої межі з одночасним ліквідуванням у контактній зоні несучої труби і ребер повітряних зазорів і прошарків. Повітряний прошарок товщиною навіть в 0,05 мм помітно зменшив би теплопередачу біметалічної труби. Розплавлений метал заповнює мікро- і макрошорсткості зовнішньої поверхні несучої труби, видавлюючи повітря. Середня товщина ребер, що виготовляються литтям, становить 2 мм, що збільшує масу 1 м труби в 3…4 рази в порівнянні з біметалічними трубами з накатними ребрами = 9…20, а технологічний процес характеризується невисокою продуктивністю. Матеріаломісткість оребрення за допомогою цього методу висока порівняно з поперечно-гвинтовою накаткою ребер. Дослідження теплоаеродинамічних характеристик пучків з литих ребристих труб не виявило їх принципових переваг по тепловій ефективності.

Спіральна навивка металевої стрічки - відносно новий тип виготовлення біметалевих ребристих труб, параметри яких забезпечують виконання умов ? 25 і ? 0,3 мм. Труба з навитими завальцованими ребрами з алюмінієвої стрічки характеризується міцним кріпленням останніх, надійним контактом з несучою стінкою при температурі її до 350° С, відсутністю процесу розмотування навіть при частковому розриві, підвищеною здатністю чинити опір циклічним термічним напруженням. Основа ребра завальцьовується в канавку глибиною (0,2…0,4) мм попередньо видавленим металом. Недолік - незахищеність несучої труби від атмосферної корозії. Розвиток корозії протікає при тривалих простоях апарату. Якщо апарат експлуатується, проміжки між ребрами не кородують. [6]

1.3.3 Обробка готових біметалічних труб

Готові біметалічні труби піддають термічній обробці у прохідних печах з захисною атмосферою, в камерних печах, у балонах з продувкою захисним газом, на електроконтактних установках з продувкою внутрішнього каналу захисним газом, у вакуумних печах.

Біметалічні труби виготовляються як з травленою, так і зі шліфованою або електрополірованою поверхнею. Якість внутрішньої поверхні труб контролюється за допомогою перископа.

Обробка біметалічних труб проводиться тими ж прийомами, що і обробка сталевих та мідних труб. Біметалічні труби гнуть гарячими і холодними. Підняття температури понад 850єС є небезпечним для плакуючого шару. Згинання нагрітої біметалічної труби проводиться звичайними прийомами на згинальній плиті з використанням дерев'яних підкладок, гладилок та інших пристосувань. [4]

Висновок до літературного огляду

Для вдосконалення механічних характеристик конструкції та інтенсифікації процесів теплообміну у теплообмінниках використовуються біметалічні труби. Біметалічна труба складається з базової труби, зазвичай сталевої, та плакуючого покриття, що залежить від призначення труби.

Основними перевагами використання теплообмінників з біметалічними трубами є точність виготовлення, зменшення затрат теплоносія, поєднання теплопровідності та жаростійкості з міцністю, зниження небезпеки корозії та накопичення газів.

Теплообмінники біметалічного типу вигідні у застосуванні в разі необхідності забезпечення інтенсивного теплообміну між теплоносієм та середовищем, коефіцієнти тепловіддачі яких відрізняються в десятки разів. Поверхня повинна бути оребрена з боку теплоносія, коефіцієнт тепловіддачі якого менший. Плакуючий метал, що покриває внутрішню поверхню, захищає конструкцію від шкідливого впливу хімічно активних рідин. Матеріал ребер, що має високу теплопровідність, забезпечує більш високий коефіцієнт теплопровідності, ніж у разі використання монометалічних труб. [7]

Основним недоліком теплообмінників з біметалічними трубами є складність та матеріалоємність у виготовленні. Сировина для біметалічних труб коштує менше, ніж для аналогічних труб з міді, алюмінію тощо. Тому їх зазвичай доцільно замінювати дорогі труби з корозійностійких сталей і сплавів біметалічними, в яких ця сталь чи сплав міститься в кількості 50% з боку дії агресивних середовищ, а решта конструкції замінена дешевою вуглецевою сталлю. Проте технологія виготовлення біметалічних труб більш витратна порівняно з технологією виготовлення монометалічних труб. Процес виготовлення біметалічної труби повинен ретельно контролюватися, оскільки ймовірні дефекти конструкції (наприклад, утворення зазору тощо). Усі сучасні способи виготовлення біметалічних труб досить витратні, а дешеві технології досі не розроблені.

2. РОЗРАХУНКОВА ЧАСТИНА

теплообмінник біметалічний труба потужність

2.1 Тепловий баланс

2.1.1 Визначення теплової потужності теплообмінника

c_p - питома теплоємність повітря при Р_г = 0,1 МПа в інтервалі температур и = 55..120єС. Визначаємо с_p в заданому інтервалі температур як ізобарну теплоємність середнього значення температури в інтервалі.

Середнє значення температури повітря в теплообміннику:

.

Середнє значення питомої ізобарної теплоємності в інтервалі температур [8]:

Середня густина повітря в інтервалі температур визначається як густина повітря при середній температурі в інтервалі:

.

Масова витрата повітря:

.

Теплова потужність теплообмінника:

.

2.1.2 Визначення вихідної та середньої температур води в теплообміннику з рівняння теплового балансу

По вхідному тиску 0,3 МПа та вхідній температурі 20єС приймаємо значення ентальпії води на вході у теплообмінник [8] : .

Рівняння теплового балансу:

.

З рівняння теплового балансу визначимо ентальпію води на виході з теплообмінника:

.

Температура води на виході з теплообмінника визначається за допомогою інтерполяції між значеннями ентальпій:

.

Середня температура води в теплообміннику:

.

2.1.3 Визначення фізичних властивостей води в теплообміннику при середній температурі 31,8 та тиску 0,3 МПа

Питомий об'єм [8]:

.

Густина:

.

Визначаємо динамічну в'язкість за допомогою подвійної інтерполяції [9]:

Кінематична в'язкість:

.

Теплопровідність визначаємо за допомогою подвійної інтерполяції [9]:



Визначаємо число Прандтля [10]:

.

Остаточно маємо наступні характеристики води в теплообміннику:

2.1.4 Визначення фізичних властивостей повітря в TO при середній температурі =87,5 та тиску на вході Рг=0,1 МПа

Густина:

.

Питомий об'єм [8]:

.

Кінематична в'язкість:

Питома ізобарна теплоємність:

.

Теплопровідність:

Температуропровідність:



Число Прандтля:

.

Остаточно маємо наступні характеристики повітря в теплообміннику:

2.2 Конструктивні характеристики TO

2.2.1 Попереднє конструювання теплообмінника

Рисунок 3.1 Ескіз проектованого теплообмінника

Повітряно-водяний теплообмінник виконаний у вигляді шахового пучка труб із зовнішнім квадратним оребренням. Труби об'єднані в поздовжні по ходу повітря змійовики, вигини яких розташовані поза газоходом (рис. 3.1).

Вибираємо біметалічні труби з наступними характеристиками.

Внутрішня труба:

- матеріал - сталь 20;

- внутрішній діаметр ;

- товщина стінки ;

Зовнішня труба з гвинтовим оребренням :

- матеріал - алюміній АД1;

- діаметр труби, що несе оребрення ;

- висота ребер ;

- крок ребер ;

- середня товщина ребер ;

- контактний термічний опір на границі «сталь-алюміній» .

2.2.2 Питомі геометричні характеристики ребристих труб

Питомі характеристики ребристих труб визначаються з урахуванням того, що вигини змійовиків знаходяться поза газоходом, тобто , де Н_П - площа поверхні ребристої труби без урахування площ вигинів, Н - площа поверхні ребристої труби, яка бере участь у теплообміні. Індекс «1» у подальших позначеннях величин вказує на те, що величина питома, тобто розрахунок ведеться для 1 м однієї труби.

Зовнішня сторона квадратного ребра:

с_к=d+2·h=.

Площа поверхні ребер на 1 м довжини труби:

.

деl_op - довжина оребреної труби, яку для питомої площі поверхні ребер приймаємо рівною 1;

z - кількість труб, яке дорівнює 1, оскільки розрахунок ведеться для одної труби.

Площа гладкої поверхні несучої труби на 1 метр довжини ребристої труби:

.

де l_T - загальна довжина неоребрених ділянок труб, що обігріваються (вигини, області стиків), яка в нашому випадку рівна 0, оскільки зазначені ділянки знаходяться поза газоходом.

Площа зовнішньої поверхні на 1 метр довжини труби:

Відношення площі поверхні ребер до загальної площі поверхні оребреної труби:

Відношення площі гладкої поверхні труби до загальної площі поверхні оребреної труби:

Початкова площа (за умови відсутності ребер) повної поверхні труби, що несе оребрення, на 1 метр довжини:

Площа внутрішньої поверхні несучої труби на 1 метр довжини труби:

Відношення повної поверхні оребреної труби до внутрішньої поверхні труби:

Коефіцієнт оребрення:

2.2.3 Розміри газоходу і крокові характеристики повітряно-водного теплообмінника

Основними цілями у розрахунку теплообмінника є мінімалізація габаритів теплообмінника та інтенсифікація теплообміну. Оскільки обмеження на розміри теплообмінника не задані, вважатимемо оптимальними характеристиками такі, що відповідають найбільш інтенсивному теплообміну.

Виберемо розміри газоходу з огляду на обмеження у розмірах:

- ширина газоходу a=0,75м;

- висота газоходу b=0,75м.

Величину поперечного кроку труб S₁ виберемо з урахуванням максимального поперечного розміру ребристої труби - довжиною сторони ребра: с_К = 0,046[м], а також з огляду на кількість поперечних рядів труб z₁, що може бути встановлена у шаховому пакеті.

.

де z₁=13 - максимальна кількість труб, що поміщається з достатнім технологічним зазором на ширині газоходу у шаховому пакеті.

Розрахуємо поздовжній крок труб, за якого теплообмін найбільш інтенсивний. Приймемо початкове якомога щільніше рівностороннє компонування пакету труб, при якому поздовжній і поперечний крок пов'язані співвідношенням:

.

Провівши розрахунок за схемою [11], отримаємо наближене значення числа Рейнольдса для потоку повітря:

.

Значення відношень поперечного і поздовжнього кроків, що відповідає найбільш інтенсивному теплообміну:

.

Відповідне значення поздовжнього кроку:

.

Діагональний крок труб визначимо за теоремою Піфагора:



Остаточно приймаємо:

- поперечний крок S₁=0,06[м];

- поздовжній крок S₂=0,0277[м];

- діагональний крок S₂'=0,041[м].

Відносні крокові характеристики:

2.2.4 Живий переріз для проходу повітря і розрахункова швидкість повітря

Для визначення мінімального живого перерізу по зовнішньому теплоносію при шаховій компоновці труб знаходимо умовний діаметр ребристої труби:

Параметр пучка:



Задамося довжиною труб в межах газоходу, яка дорівнює його висоті:

Оскільки , мінімальний живий переріз розташований у площині діагонального кроку. Його площа:

Розрахункова швидкість повітря:

Реальне значення числа Рейнольдса:

.

Реальне значення відношень поперечного і поздовжнього кроків, що відповідає найбільш інтенсивному теплообміну:

.

Порівнюючи з попереднім розрахунковим значенням відношень поперечного і поздовжнього кроків, робимо висновок, що компонування труб у шахматному пучку, при якому теплообмін максимально інтенсивний, спроектовано з достатньою точністю.

2.2.5 Живий переріз для проходу води і середня швидкість води

Площа живого перерізу для проходу внутрішнього теплоносія розраховується за формулою, в якій число паралельно увімкнених труб визначається числом труб в поперечному ряду пакета та числом заходів змієвиків ; при шаховому компонуванні труб . Приймаємо . Число паралельно увімкнених труб:

Площа живого перерізу для проходу води:

Середня швидкість води:

2.3 Розрахунок площі теплообмінної поверхні

2.3.1 Приведений коефіцієнт тепловіддачі

Коефіцієнт тепловіддачі конвекцією

Коефіцієнт тепловіддачі конвекцією визначається за формулою:

.

Визначимо параметр форми пучка Х:

.

Коефіцієнт C_q у формулі для коефіцієнта тепловіддачі конвекцією:

.

Приймаємо число поперечних рядів труб у пакеті z₂>10, тоді коефіцієнт Сz у формулі для коефіцієнта тепловіддачі конвекцією Сz=1.

Визначимо показник m у формулі для коефіцієнта тепловіддачі конвекцією:

.

Отримаємо значення коефіцієнта тепловіддачі конвекцією:

.

Коефіцієнт істинної ефективності ребра

Коефіцієнт істинної ефективності ребра визначається за формулою:

ш= Е·m_р ·ш_Е..

Приймемо початкове значення Е'=0,9. Визначимо середню температуру ребра:

t_р = J-----(J-----t)·E'--= 87,5 ---(87,5 ---31,8)·0,9 »37,37 єС.

При t_р=37,37 єС коефіцієнт теплопровідності алюмінію марки АД1: ?_р = 203,5 Вт/[м·К]. Визначимо параметр ребра:

.

Умовна висота ребра:

Коефіцієнт теоретичної ефективності ребра:

.

Поправочний коефіцієнт:

Приведений коефіцієнт тепловіддачі б_1пр

Визначимо приведений коефіцієнт тепловіддачі б_1пр за формулою:

.

Коефіцієнт тепловіддачі від стінки до внутрішнього середовища б₂

Визначимо число Рейнольда для потоку води:

.

Оскільки , , то коефіцієнт тепловіддачі визначаємо за формулою:

.

Визначимо коефіцієнти для даного рівняння.

.

.

Оцінимо температуру внутрішньої поверхні труби t₂, задаючись з наступним уточненням значеннями площі зовнішньої теплообмінної поверхні Н'=100м² і коефіцієнта тепловіддачі б'₂=3800 [Вт/(м₂·К)]; отримаємо:

.

.

Оскільки внутрішнім теплоносієм є крапельна рідина (вода), і тепловий потік направлений від стінки труби до води, поправка С_t визначається:

.

де м_f - коефіцієнт динамічної в'язкості води при тиску 0,3 МПа і температурі 31,8єС,

м_w - коефіцієнт динамічної в'язкості води при тиску 0,3 МПа і температурі 49,35єС.

Підставимо отримані коефіцієнти у формулу для коефіцієнта тепловіддачі від стінки труби до води:

.

2.3.3 Коефіцієнт теплопередачі

Коефіцієнт теплопередачі розрахуємо за формулою:

.

2.3.4 Температурний перепад

Приймаємо противотокову схему руху теплоносіїв у теплообміннику. Тоді перепади температур визначимо за наступними формулами.

Різниця температур на тому кінці нагріву, де вона більша:

.

Різниця температур на тому кінці нагріву, де вона менша:

.

Температурний перепад:

.

2.4 Підсумки теплового розрахунку

Перше уточнення площі теплообмінної поверхні ТО та величини поправки C_t у формулі для визначення поправки б₂

Уточнена площа теплообмінної поверхні теплообмінника:

.

Уточнена площа внутрішньої поверхні теплообміну:

.

Уточнена температура внутрішньої поверхні труби:

.

Уточнена поправка C_t:

.

Уточнений коефіцієнт тепловіддачі від стінки труби до води:

.

Уточнений коефіцієнт теплопередачі:

.

Друге уточнення площі теплообмінної поверхні ТО та величини поправки C_t

Уточнена площа теплообмінної поверхні теплообмінника:

.

Уточнена площа внутрішньої поверхні теплообміну:

.

Уточнена температура внутрішньої поверхні труби:

.

Уточнена поправка C_t:

.

Уточнений коефіцієнт тепловіддачі від стінки труби до води:

.

Уточнений коефіцієнт теплопередачі:

.

Відносна похибка температури внутрішньої поверхні труби:

Оскільки =0,21%<2%, вважаємо таке уточнення достатнім. Приймаємо значення, отримані при останній ітерації, за істинні.

Загальні конструкційні характеристики теплообмінника

Загальна довжина оребрених труб теплообмінника:

.

Загальне число труб у теплообміннику:

.

Приймаємо z=156 з конструкційних міркувань. Число поперечних рядів труб:

.

Приймаємо z₁=14 з конструкційних міркувань.

Глибина газоходу:

.

Дійсне число труб у теплообміннику:

.

Дійсна довжина ребристих труб у теплообміннику:

.

2.5 Техніко-економічний розрахунок

Кількість ребер на 1 метр труби:

Приймаємо

Об'єм одного ребра:

Об'єм усіх ребер на 1 метр труби:

Зовнішній діаметр сталевої труби:

Об'єм 1 метру сталевої труби:

Об'єм 1 метру алюмінієвої труби:

Об'єм алюмінієвої частини біметалічної труби (включаючи ребра та трубу, що несе ребра) в розрахунку на 1 метр:

Об'єм 1 метра оребреної біметалічної труби:

Густина алюмінію вважається сталою в інтервалі температур, тому приймаємо: при середній температурі повітря [12]

Маса 1 метра алюмінієвої частини біметалічної труби:

Маса алюмінієвої частини по всій довжині труб у теплообміннику:

Вартість одного кілограма алюмінієвої оребреної труби [13]. За таких умов витрати на алюміній при виготовленні біметалічних труб даного теплообмінника становлять:

Густина сталі при температурі води t=31,8[єC] становить [12].

Маса 1 метра сталевої частини біметалічної труби:



Маса сталевої частини по всій довжині труб у теплообміннику:

Вартість одного кілограма сталевої труби [14]. За таких умов витрати на сталь при виготовленні біметалічних труб даного теплообмінника становлять:

Загальна витрата на матеріал для виготовлення біметалічних труб даного теплообмінника:

У розрахунковій частині роботи було визначено наступні основні характеристики повітряно-водяного теплообмінника з шаховою компоновкою труб та протитоковим рухом теплоносіїв.

- теплова потужність теплообмінника: ;

- температура води на виході з ВПТ: ;

- середня температура води: ;

- середня температура повітря: ;

- коефіцієнт оребрення: ;

- коефіцієнт ефективності ребра: ;

- коефіцієнт теплопередачі ;

- коефіцієнт тепловіддачі від стінки труби до води:;

- коефіцієнт тепловіддачі конвекцією:;

- приведений коефіцієнт тепловіддачі від повітря до стінки труби:

;

- площа поверхні теплообміну:

- ширина газоходу: а = 0,75 ;

- висота газоходу: b = 0,75 ;

- глибина газоходу: ;

- кількість труб у теплообміннику: ;

- дійсна загальна довжина труб: ;

- загальні витрати на матеріали, з яких виготовлено труби:

ВИСНОВКИ

У даному курсовому проекті було проведено конструкторський розрахунок водно-повітряного теплообмінника з заданими характеристиками, поверхня нагріву якого являє собою шаховий пучок біметалічних труб з квадратним оребренням. В ході огляду літературних джерел було окреслено особливості конструкції теплообмінника з біметалічними трубами, переваги та недоліки використання біметалічних труб у якості елементів нагріву, методи виготовлення та доцільність застосування біметалічних труб.

У розрахунковій частині курсового проекту було розраховано наступні характеристики ВПТ:

- теплова потужність теплообмінника: ;

- температура води на виході з ВПТ: ;

- середня температура води: ;

- середня температура повітря: ;

- коефіцієнт оребрення: ;

- коефіцієнт ефективності ребра: ;

- коефіцієнт теплопередачі ;

- коефіцієнт тепловіддачі від стінки труби до води:;

- коефіцієнт тепловіддачі конвекцією:;

- приведений коефіцієнт тепловіддачі від повітря до стінки труби:

;

- площа поверхні теплообміну:

- ширина газоходу: а = 0,75 ;

- висота газоходу: b = 0,75 ;

- глибина газоходу: ;

- кількість труб у теплообміннику: ;

- дійсна загальна довжина труб: ;

- загальні витрати на матеріали, з яких виготовлено труби:

перелік посилань

1. Кудинов А.А. Энергосбережение в теплогенерирующих установках. - Ульяновск: УлГТУ, 2000. - 139 с.

2. www.ironpipes.ru

3.Рекомендации по применению биметаллических секционных радиаторов. - Москва, 2010. - 28 с.

4.Филимонов В.И. - Теория обработки металлов давлением. Методические указания. - Ульяновск: УлГТУ, 2006. - 52 с.

5.Method of manufacturing bimetallic tubes. - Kobe, Japan, 1982. - 8 p.

6.Кунтыш В. Б., Кузнецов Н. М.- Тепловой и аэродинамический расчеты оребренных теплообменников воздушного охлаждения, 1992 - 280с.

7.Михеев М.А., Михеева И.М. - Основы теплопередачи. - Изд. 2-е, стереотип, М.: «Энергия», 1977. - 334 с.

8.Ривкин С.Л., Александров А.А. - Термодинамические свойства воды и водяного пара. - Изд. 2-е, М.: Энергоатомиздат, 1984. - 80 с.

9.Варгафтик Н.Б. - Справочник по газам и жидкостям. - Изд. 2-е, М.: «Наука», 1972. - 722 с.

10.Краснощеков Е.А., Сукомел А.С. - Задачник по теплопередаче. - М.: «Энергия», 1980. - 288 с.

11.Письменный Е.Н. - Расчёт конвективных поперечно-оребренных поверхностей нагрева. - Киев, 2003. - 180 с.

12.www.termist.com

13.www.acko.com.ua

14.www.stalresurs.com

Размещено на Allbest.ru