ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы ТЕПЛООБМЕННИКИ ТИПА ЖИДКОСТЬЖИДКОСТЬ из "Расчет и конструирование теплообменников" Для выбора большинства теплообменников пользуются давно установленными методами, разработанными в процессе многолетней практики конструирования и опыта эксплуатации, однако изменение условий эксплуатации или совершенно новые условия применения требуют уточнения или использования новых методов. В некоторых случаях в зависимости от наличия средств или при необычных требованиях могут оказаться необходимыми интенсивные инженерные изыскания для разработки и расчета новой конструкции. [c.160] Первым шагом в разработке конструкции нового типа теплообменника является четкое формулирование требований. Там, где это возможно, должна быть установлена относительная важность каждого из переменных факторов и указаны области, в которых существует широкая свобода выбора. Особое внимание должно быть направлено на те области, в которых следует принять специальные меры для достижения приемлемых решений, должны быть установлены как можно лучше все побудительные мотивы улучшения конкретных эксплуатационных характеристик. [c.160] Характеристики теплообмена. Первым шагом в установлении требований является задание входных и выходных температур для каждого из теплоносителей. При рассмотрении рабочего интервала температуры должны быть указаны побудительные мотивы, заставляющие стремиться к достижению желаемого предела. Если определены входные и выходные температуры, можно вычислить коэффициент полезного действия теплообменника. Это имеет большое значение, поскольку позволяет сделать дальнейшие заключения о необходимых соотношениях длины и диаметра каналов и возможности использования аппаратов с прямоточной и перекрестноточной схемами течения или необходимости применения противоточной схемы. [c.160] Затем следует установить массовые расходы для каждого из потоков теплоносителей. Поскольку скорости жидких теплоносителей обычно поддерживаются в пределах 0,6—6 м1сек, а газообразных — в пределах 3—30 м/сек (в каждом случае обычно вблизи среднего значения интервала), по величине массового расхода нетрудно определить поперечное сечение каналов для потоков каждого из двух теплоносителей. Иногда необходимо ограничить скорости теплоносителя, чтобы избежать таких нежелательных явлений, как эрозия, вибрация труб, нарушение устойчивости течения (например, в котельных трубах) или шума (например, в системах кондиционирования воздуха). [c.160] Стоимостные факторы. Стоимостные факторы часто являются доминирующими в выборе конструкции теплообменника. Необходимые расходы складываются не только из начальных капитальных затрат на теплообменник, но включают также расходы на эксплуатацию установки и уход за ней. Влияние этих факторов может быть очень сложным, как, например, в технологических установках химических производств, где играет роль стоимость одного или многих продуктов. Положение с паросиловыми установками несколько проще, так как капитальные затраты на оборудование можно отнести непосредственно к эффективности (к. п. д.) энергетической установки и, следовательно, к стоимости производимой электрической энергии [1—3]. [c.161] Интересный пример, показывающий один из путей решения возникающих проблем, дает изучение парогенераторов для ядерной энергетической установки с реактором, имеющим газовое охлаждение. В этом случае свойства конструкционных материалов накладывают ограничения на температуру выходящего из реактора газа. На рис. 8.1 отражено влияние выходной температуры пара, на которую рассчитан парогенератор, на параметры, связанные с размерами теплообменника и, следовательно, с относительной его стоимостью. Интересно, что по мере увеличения размеров теплообменника с целью повышения температуры пара на выходе стоимость парогенератора на 1 кет развиваемой мощности сначала немного падает благодаря повышению к. п. д. установки, затем в некотором температурном интервале остается постоянной и, наконец, начинает быстро расти по мере приближения температуры пара к температуре горячего газа, выходящего из реактора. [c.161] Температура гелия на входе Температура гелия на выходе. Температура питательной воды Температура пара на выходе Наружный диаметр труб. . . Массовая скорость пара. . . [c.163] Герметичность. Под герметичностью понимают как предотвращение попадания теплоносителя из одного потока в другой, так и предотвращение вытекания теплоносителей наружу. Методы для измерения степени герметичности изложены в главе, описывающей способы испытания теплообменников. В инструкции по эксплуатации теплообменников должны быть, как правило, включены описания метода, который следует использовать для контроля герметичности. [c.164] Обслуживание, ремонт и уход, требования по обслуживанию теплообменников для различных областей применения не одинаковы и часто налагают существенные ограничения на конструкцию. Некоторые из этих ограничений изложены в разделе о кожухотрубных теплообменниках (гл. 1), в частности требования к конструкции кожуха и установке трубных досок. [c.164] Обычно необходимо обеспечить соответствующие условия для осмотра и ремонтных работ. В некоторых случаях конструкция должна быть такой, чтобы прохудившуюся трубу нетрудно было вынуть и заменить. В других (особенно это относится к котлам) подобные требования мягче конструкция считается вполне приемлемой, если не имеющая доступа труба может быть заварена просто выключена с помощью пробки, вставляемой со стороны коллектора, при появлении в ней течи. Если течь на протяжении времени эксплуатации аппарата появляется не часто, выключение нескольких труб не приведет к заметному снижению теплопроизводительности теплообменника. [c.164] Требования, связанные с режимом работы и регулирования системы. Характеристики реакции теплообменника на изменение нагрузки часто оказывают существенное влияние на коэффициент полезного действия всей установки. Скорость, с которой установка может быть включена в работу или выключена или скорость изменения подачи энергии, может в значительной степени зависеть от характеристик теплообменных аппаратов [7, 8]. Как правило, в новых типах установок такого рода задачи невозможно решить до тех пор, пока установка не построена и не сдана в эксплуатацию. Во всех случаях, когда это возможно, желательно исследовать характеристики скорости реакции, необходимые не только в расчетной точке, но и во всем интервале нагрузок, для которого требуется точное регулирование. Особенно важно проведение такого исследования тогда, когда трудно добиться устойчивой работы системы. При этом должны быть рассмотрены эксплуатационные характеристики важнейших компонентов и контрольно-измерительного оборудования. [c.165] Если обеспечить устойчивость системы и ее регулирование сложно, следует провести анализ динамических характеристик системы для уточнения характеристики теплообменника. Такой анализ (его удобнее всего выполнять с помощью аналоговых вычислительных машин) может привести к коренному изменению выбора рабочих характеристик установки в целом и принятию необычных характеристик для теплообменников. Пусть, например, нужна достаточно быстрая реакция на изменение температур. В этом случае может оказаться необходимой такая конструкция теплообменника, которая обеспечивала бы довольно высокие скорости движения теплоносителей в нем при низких нагрузках и допускала бы более высокие затраты энергии на прокачку теплоносителей при полной теплопроизводительности, нежели следует из простого изучения, игнорирующего проблему регулирования. [c.165] Как только установлены требования к конструкции и с помощью описанных выше приемов грубо определена эта конструкция, можно сделать первый шаг в выборе геометрии теплообменника — начать изучение выпускаемых промышленностью типов аппаратов. Если ни один из них не подходит по размерам или по желаемому интервалу рабочих температур, можно построить графики характеристик (см. гл. 4), на основании которых указать характеристику специальных аппаратов, отличающихся от выпускаемого промышленностью образца. [c.165] Приспособление существующих конструкций. Если с помощью описанной выше процедуры не удается создать аппарат, обладающий необходимыми характеристиками, или если средства и возможности позволяют предпринять попытку сконструировать улучшенный тип теплообменника, может встать вопрос о создании теплообменника нестандартной конструкции. В силу необходимости подход к выбору конструкции является интуитивным. Правда, в качестве отправной точки обычно рассматривают некоторый тип теплообменника, который оказался эффективным для других целей и у которого есть специальные качества, позволяющие надеяться, что он в известной мере сможет удовлетворить предъявляемым требованиям. [c.165] Поверхности теплообмена на основе рассмотрения условий изготовления и эксплуатации, в особенности ожидаемой интенсивности загрязнения и требований очистки, может быть сделан пробный выбор конфигурации геометрии поверхности. [c.166] Конструирование с применением метода последовательных приближений. [c.166] После того как в основном выбрана геометрия поверхности теплообмена, желательно исследовать влияние изменений таких параметров, как диаметр труб и расстояние между ними. Это может быть сделано несколькими путями. Можно применить метод последовательных приближений, изменяя главные параметры в представляющем интерес интервале, находя в каждом случае с помощью серии удачных приближений конструкцию аппарата, удовлетворяющую поставленным требованиям. Подобная процедура утомительна и обычно не очень эффективна, если ею не занимается инженер, имеющий опыт в конструировании аналогичного оборудования. [c.166] Изучение определяющих параметров. Ввиду трудностей нахождения размеров теплообменника, при которых получаются надлежащие характеристики теплообмена при приемлемых потерях давления в системе, иногда удобно выполнить параметрическое изучение, изменяя факторы, представляющие наибольший интерес, и определяя условия, при которых достигаются поставленные требования. Обычно стараются добиться минимального объема вычислений, следуя, например, методике, изложенной в гл. 4, в соответствии с которой рекомендуется составлять схему. [c.166] Характеристики аппаратов, удовлетворяющие поставленным требованиям, могут быть представлены графически как функции диаметра или длины труб получаемые кривые демонстрируют зависимости, представляющие наибольший интерес. [c.166] Оптимизация. Большие капитальные затраты на некоторые типы теплообменников часто оправдывает систематический выбор ключевых факторов, оказывающих влияние на эксплуатационные характеристики теплообменника, и попытку получить в распоряжение подробное решение, удовлетворяющее конструктивным требованиям. Обычно можно намного уменьшить число факторов, сведя их фактически к одному. Таким определяющим фактором может служить цена или вес. После выбора основного параметра составляют программу для вычислительной машины, которая позволит определить размеры теплообменника, соответствующие оптимальному значению заданного параметра. Обычно не удается спроектировать теплообменник, который был бы одновременно и самым дешевым, и самым легким, однако можно провести расчеты с целью нахождения оптимального значения сначала одной, а затем другой величины, и сравнить полученные результаты. [c.166] Вернуться к основной статье