CC BY
19АЛГОРИТМ ПОДБОРА ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ ТИПА ТРУБА В ТРУБЕ
Рощупкин Николай Сергеевич
студент
Липецкий Государственный Технический Университет
г. Липецк
Суслова Светлана Александровна
кандидат технических наук, доцент Липецкий Государственный Технический Университет
г. Липецк
ALGORITHM FOR SELECTING HEAT EXCHANGERS OF PIPE-IN-PIPE TYPE
Roshchupkin Nikolay Sergeevich
student
Lipetsk State Technical University,
Lipetsk
Suslova Svetlana Alexandrovna
candidate of technical sciences, associate professor Lipetsk State Technical University,
Lipetsk
DOI: 10.31618/nas.2413-5291.2021.2.63.362
АННОТАЦИЯ
В статье рассматривается алгоритм подбора теплообменного аппарата и расчёта поверхности теплообмена, с используя программу на языке Pascal ABC.NET.
ABSTRACT
The article discusses an algorithm for selecting a heat exchanger and calculating the heat exchange surface using a program in the Pascal ABC.NET language.
Ключевые слова: теплообменные аппараты труба в трубе, поверхность теплообмена, алгоритм подбора теплообменных аппаратов, теплопередача.
Key words: pipe-in-pipe heat exchangers, heat exchange surface, heat exchanger selection algorithm, heat transfer.
Большинство химических процессов на современных химических предприятиях, в частности в пищевой промышленности, требуют поддержания определенной температуры среды. Для этих целей используют теплообменные аппараты. Одним из часто используемых в промышленности теплообменных аппаратов является теплообменник типа труба в трубе.
Для реализации подбора данного типа теплообменного аппарата была разработана и реализована программа для расчёта и подбора теплообменного аппарата типа труба в трубе на базе языка программирования Pascal ABC.NET.
На первом шаге алгоритма вычисляется тепловая нагрузка Q на аппарат:
Q * с2 * (t2K - t2H) = * Cl * (tf - tK),
Gi =■
Q
Cl*(t 2- l)
G1*c1;
G, =
Q
c2*(t2K-t2»)'
62*^2'
(2)
(3)
(4)
(5)
Так как теплообменник типа «труба-в-трубе» противоточного типа, то средне логарифмическую разность температур в аппарате ^£ср.лог. вычисляем на следующем шаге:
(1)
где С®, С®, С®, - начальные и конечные температуры горячего и холодного теплоносителя соответственно, °С (К); , С2 - расход горячего и холодного теплоносителя, кг/с; сх, с2 -теплоемкость горячего и холодного теплоносителя.
Далее рассчитывается один из параметров уравнения теплового баланса. В зависимости от условий задания применяем одну из следующих формул:
^ ^t2
_ (t2-t2)-(t2-t2)
ср.лог.
ln
(с2~с2) (t2-t2)
(6)
На четвертом этапе алгоритма происходит ориентировочный выбор
теплообменника. Значение критерия Рейнольдса принимается равным Дех ор =25000, чтобы тот соответствовал развитому турбулентному режиму в трубах. Для труб dн = 25х2 мм для такого режима течения теплоносителя в теплообменнике
Q
21
необходимое число труб на один ход рассчитывается по формуле:
4*Gi
(7)
ор-
F = ■
1 пп
0Р !/■ ±Л +
Кор*-^ср.лог.
(8)
Согласно основным характеристикам теплообменников ТН И ТК и холодильников ХН И ХК с трубами 25 х2 мм [1, с.215] выбираем наиболее подходящие варианты следующих значений:
- площадь сечения потока (5М в м2) в межтрубном пространстве;
- - динамическая вязкость холодного теплоносителя, Па*с;
- Я2 - теплопроводность холодного
Вт
теплоносителя, —.
м*К
Пятый этап алгоритма - это уточненный расчет поверхности теплопередачи. Для горячего теплоносителя рассчитываются коэффициенты Рейнольдса (Дб! ) и Прандтля (Ргх ) по формулам:
йе, =
4*Gi
Рг, =
Mi*ci .
Вт м*К'
теплопроводность
(9) (10) горячего
- - стандартное число труб на один ход,
а, =А* 0,023 *Ре.,
1 rl ' 1
0,8 * ^.0,4
(11)
где ^вн - внешний диаметр трубы (мм) и коэффициент теплоотдачи к жидкости в межтрубном пространстве:
а2 = ^ * 0,023 * Де0'8 * Рг20,4;
(14)
где - наружный диаметр трубы, мм. Далее рассчитывается сумма термических сопротивлений стенки и загрязнений:
^ Я Я r„f
+
(15)
где - динамическая вязкость горячего теплоносителя, Па*с; й - внутренний диаметр трубы, мм.
В зависимости от вида теплообмена выбирается значение коэффициента теплопередачи [1, с.172].
Следующий шаг алгоритма позволяет рассчитать ориентировочное значение поверхности теплообмена К
где ^загр1, ^загр2 „ м2*К
загрязнении,-.
Вт
термических сопротивлении
Трубы чаще всего выполнены из нержавеющей стали, теплопроводность которой Яст= 17,5 Определяем коэффициент теплопередачи:
К =
1 „8 1
-+2т+-
tti «2
(16)
где 5 - толщина стенки трубы, мм. Необходимая поверхность теплообмена:
(17)
На заключительном этапе на основании рассчитанных значений подбираем типовой теплообменный аппарат по площади номинальной поверхности теплообмена Ртабл [1, с.215] таким образом, чтобы площадь номинальной поверхности была больше ( либо равна) необходимой поверхности теплообмена.
Запас поверхности теплообмена
рассчитывается по формуле:
Д =
(^табл-^)*100 .
(18)
теплоносителя,
п г
единиц.
Определяются коэффициент теплоотдачи к жидкости в трубном пространстве:
где Ртабл - номинальная поверхность теплообмена, м2.
Подбор теплообменных аппаратов осуществляется методом перебора исходя из основных размерных характеристик стандартных аппаратов.
Запас поверхности теплообмена не должен быть ниже необходимого.Чаще всего это значение соответствует 15-20 %, однако может быть выше или ниже в зависимости от требовании заказчика, в связи с тем, что при увеличении площади теплообмена возрастает и цена теплообменного аппарата.
На основании разработанного алгоритма составлена программа на языке Pascal ABC.NET, автоматизирующая процесс расчёта поверхности теплообмена и подбора типового теплообменного аппарата. На рисунке 1 представлен фрагмент программы автоматизированного расчёта поверхности теплообмена и подбора типового теплообменного аппарата.
п
Z
1
1
г
1
Q
ср.лог
F
Я
i
Я
1
вн
н
рrogrаи о риen тиро в очный_ра счёт_по верхности_телла оОые
t_2 к, t_cpnor, с_1, с_2, ц_1
Q, K^op, F^op, хор, osrealj Pr_l, Pr_2x al, a2, К, йнеобх,г_эагр., û, F, Г_таОл,
asreal;
v*r G_l*t_lrl, t_L)t, t_2n, vir v"2' "-1' >._2, Re_lr Re_2f S_M, var niintegerj ■e&rt*t Lop - 25000; const А_ст ш 17.5; const б = 0.021; const dH - 0.025; conet 51 = 0,002; begin
vriteln {'Условие расчета теплообмена: 1 - ориентировочный расчёт поверхности теплообмена при неизвестном расходе горячего
теплоносителя, 2 - ориентировочный расчёт поверхности теплооОмена при неизвестной температуре горячего теплоносителя, 3 - ориентировочный расчёт поверхности теплообмена при неизвестном расходе холодного теплоносителя,4 - ориентировочный расчет поверхности теплооОмена при неизвестном расходе горячего теплоносителя') ; readln 4п)?
1 : Ь«ф1а
writeln ('ориентировочный расчёт поверхности теплообмена при неизвестном расходе горячего теплоносителя']; writeln ('Значение рйСхода иолоднОгО теплоносителя в кг/С ' J ,г readln (G_2>;
writeln {'Значение начальной температуры холодного теплоносителя =r)j readln (t_2n>
writeln ('Значение конечной температуры холодного теплоносителя ) ; readln (t_2k| f
writeln ('Значение теплопроводности горячего теплоносителя в Дж/(кг*К)-*Ï ;
readln (с_2}i
U := У_2ЯС_2Ж (t_2K-t_2nj ;
writeln ('Тепловая нагрузка —4го,1эг")г
writeln ('Значение начальной температуры горячего теплоносителя ='); readln Ct_lnii
writeln ('Значение конечной температуры горячего теплоносителя ='>,-(1"_1 И i
writeln ('Значение теплопроводности горячего теплоноситэля в Дж/jкг+К)=' > ; readln £с_1);
G_1 := ß/~(c_l* (t_ln-t_lk)} ;
writeln ('Расход горячего теплоносителя -',C_lj1 кг/с'it
t_cpnor := {(t_lk-t_2n) - (t_ln-t_2k) }/ln( {t_lk-t_2n} / it_ln-t_2k) );
writeln (' сред.челйРйрификческая разнйсгь температур - ', t_cpjiarP 1 К' J t
writeln ('Значение коэффициент динамической вязкости горячего теплоносителя в Па*с =">г
writeln ('ориентировочный расчёт поверхности теплообмена при неизвестном: расходе холодного теплоносителя" ) ; writeln ('Значение рйСхОда холодного теплоносителя в кг/с readln (G_l}f
writeln ( 'Значение начальной температуры .колодного теплз-иоснтвля "'); readln (t_ln) ;
writeln ('Значение конечной температуры холодного теплоносителя -'); readln (t_l k> /
writeln ('Значение теплопроводности холодного теплоносигеля в Дне/(кг*К} ='¡1 ;
readln (с 1)i
Q := G_1*C_1* (t_ln-t_Llt) ?
writeln ('Тепловая нагрузка ,Q,'ВТ')î
writeln ('Значение начальной температуры горячего теплоносителя ='5; readln (t_2n>;
writeln ('Значение конечной температуры горячего теплоносителя | ;
itsadlxL ( L_2 ;
writeln ('Значение теплопроводности горячего теплоноситзля в Дж/(кг*Х)='>? readln (с_2)?
G2 := О/ (c_2*(t_2fc-t_2nn ;
writeln ('Расход горячего теплоносителя -',G_2P1 кг/с*) t
t_cpnor := f (t_lk-t_2ni- (t_ln-t_2kl ) /in ( (t_lk-t_2n> / f t_ln-t_2k> ) s
writeln (' среднелогарифмическая разность температур =",t ерлог, 'К* J,"
writeln (^Значение коэффициент динамической вязкости горячего теплоносителя а Ла*с
readlln (иа1)?
хор:- Î4 *G_l|i / (pi*d*Re_lopip_l > ;
writeln ('Ориентировочное число труб на один ход e'jxoph? writein ("ориентировочный коэффициент теплопередачи readln (K_opji; F_opï=Q/ {t_cpnor*K_op} s
writeln ('Ориентировочное значение поверхности теплообмена (F орг pMA2p^f end;
bitgin
writeln ('ориентировочный расчёт поверхности теплообмена при неизвестном расходе горячего теплоносителя'); writeln ('Значение расхода холодного теплоносителя ь кг/с 'J ; readln (G_l);
writeln ('Значение начальной температуры холодного теплоносителя -'); readln (t Inj ;
writeln ('Значение конечной температуры холодного теплоносителя -1); readln (t lk>;
writeln ('Значение теплопровод»ости колодного теплоносителя ь Дж/(кг*К}=я} f
readln (с_1);
О := G_l*t_l* (t_ln-t_lJc) j
write In ('Тепловая нагрузка Р О», 1 at'} i
writeln (гЗночани4 начальной температуры горячего теплоносителя readln (t_2n > ;
writeln ('Значение конечной температуры горячего теплоносителя readln (t_2k> г
writeln ('Значение теплопроводности горячего теллоноситгля в Дж/1кг'К)='} г
readln (с 2)i
t_2k i- Q/ ic_2*G_2)+t_2rj;
writeln ('Расход горячего теплоносителя -лгб_1,'кг/с'}г
t_cpnor := С [t_lk-t_2nj- (t_ln-t_2k} > /In ((t_lk-t_2n) / {t_ln-t_2k>) ;
writeln ('' среднелогарифмическая разность температур , t_cpjjar, ' К* ^;
writeln ('Значение коэффициент динамической вязкости горячего теплоносителя в Jla*c = ")?
leädliL (|j 1) 7
хорт= {4*G_1> / [pi*d*Re_10p*p_l^
writeln ('ориентировочное число труб на одни ход вР,хор); writeln ('Ориентировочный коэффициент теплопередачи ='1,'
readln (К_;
Г_ор:=0/(с_срлог*"К_ор* :
writeln ('Ориентировочное значение поверхности теплообмена -'fF_op, "мл2'>; *nd; *nd; repeat;
writeln {"Число труб на ход readln {х} ;
Re_l M / <pi *d*|J._l*x) ;
writeln {'Коэффициент Рейнольлса для горячего теплоносителя =,,Re_L},r
If Ifl Л t'4waWHWP ФРГТППРМЧЛГТН ЛЛряи^ЛП ФАППОНОГ'иФ*» пд П Rf/ (Ы"*Т?) —"Ii
readln iX_U ; Pr_l; = (ц_1*с_1) /h_l;
writeln {'Коэффициент Ирандтля для горячего теплоносителя =',Pr_l)j al j- A_L/d * Q . 023 * exp(0.$*LN(Re_lJ) * exp [0 T <J*LN \ Pr_lH ;
writeln {'Коэффициент теплоотдачи к жидкости в трубном пространстве = 'х tri, 1 Вт/(ыА2*К)') i writeln {*Площадь сечения потока В межтручном пространстве ыежду перегородками а мл2 readln (S_K) ;
writeln {'Значение динамической вязкости холодного теплоносителя а Па*С -'|f re ad In (uj) ;
Re_2 (d*G_2/ (3_М*р_2П ;
writeln {"коэффициент РеЯнольдса для холодного теплоносителя -'rRe_2);
■writ-ölii {"ЗиаченкА теплоемкости кололного иппоноснтвпл а Dt/<w*K} -1 ) f
readln 4A_2J;
Pr : - {]i_2 * c_2) / k_2i
writeln {"Коэффициент Прандтля для холодного теплоносителя -р,Рг_2)? Oil т=Х_2/dH *0,023* exp(0.8*LN(Re_2)) * expiO,4*LN<Pr_2l)?
writeln {'коэффициент теплоотдачи к жидкости в межтрубном пространстве 'Вт/<м'"2АК}*>;
writeln {"термические сопротивления загрязнений =');
readln ir_aarp);
аг = ст+1/г_Загр+-1/г_загр,'
writeln {'Сумма термических сопротивлений стенки и загрязнений га,1 Вт/{м4КJ13j Кт= l/(I/öl+a+l/a2i;
wiiLeliL {'Коэффициент rreiujuutsреиачи. — ' f Kf ' Вт/ <м*2 х Kf' } ;
Ft= Q/ it_CpnOr*K) i
writeln {'Требуемая поверхность теплообмена - 1,FP'ы*2)1}? rep«*t
writeln 4'табличное значение площади теплообмена в ыл2 -'}; readln (Г^табл) ? Д: ■ (-F_TaÖn+F> * 10D/F";
writeln ГЗапас поверхности теплообмена "%)'>?
writeln ^'Необходимое значение Запаса поверхности теплоОС-мена в мл2 =')? readLn (üneoDx); ±£ йнеобх <" A thfcn
wtiteirti'запас поверхности теплооОмена удовлетворяет условию'i
else writelnl'Запас поверхности теплообмена не удовлетворяет условию')
until ¿необх <= L;
writeln {'Условие расчёта теллооОмена; 1 - выбрать другие характеристики теплооОменника, 2 - завершить расчйт')t readln ^о}; unhil о-?; end.
Рисунок 1 - Фрагмент программы автоматизированного подбора теплообменного аппарата
В результате выполнения программы получены следующие результаты, представленные на рисунке 2.
полный расчет.ехе
Неизвестный параметр: 1 - расход горячего теплоносителя, 2 - температура горячего теплоносителя, 3 - рас ход холодного теплоносителя, 4 - температура холодного теплоносителя 2
ориентировочный расчёт поверхности теплообмена при неизвестной температуре горячего теплоносителя Значение расхода холодного теплоносителя в кг/с
Значение начальной температуры холодного теплоносителя =
Значение конечной температуры холодного теплоносителя =
Значение теплоемкости холодного теплоносителя в Дж/(кг*К)= 4190
Тепловая нагрузка =733250ВТ
Значение расхода горячего теплоносителя =
Значение начальной температуры горячего теплоносителя =
Значение теплоемкости горячего теплоносителя в Дж/(кг*К)= 4180
Значение конечной температуры горячего теплоносителя = =83.73504784689k среднелогарифмическая разность температур =48.7692270524142К Значение коэффициент динамической вязкости горячего теплоносителя в Па*с = 0.000327
Ориентировочное число труб на один ход =207.663942056703
Ориентировочный коэффициент теплопередачи =
815
Ориентировочное значение поверхности теплообмена =18.4479702859921мА2
Число труб на ход =
257
Коэффициент Рейнольдса для горячего теплоносителя =20200.7725736093 Значение теплопроводности горячего теплоносителя в Вт/(м*К) = 0.678
Коэффициент Прандтля для горячего теплоносителя =2.01601769911504
Коэффициент теплоотдачи к жидкости в трубном пространстве =2734.20047729421Вт/(мл2*К)
Площадь сечения потока в межтрубном пространстве между перегородками в мл2 =
0.053
Значение динамической вязкости холодного теплоносителя в Па*с = 0.000703
Коэффициент Рейнольдса для холодного теплоносителя =3945.35548458091 Значение теплопроводности холодного теплоносителя в Вт/(м*К) = 0.629
Коэффициент Прандтля для холодного теплоносителя =4.68294117647059
Коэффициент теплоотдачи к жидкости в межтрубном пространстве =808.192593088459Вт/(мл2*К)
термические сопротивления загрязнений =
1800
Сумма термических сопротивлений стенки и загрязнений =0.00122539682539683Вт/(м*К) Коэффициент теплопередачи =353.548870007205Вт/(мл2*К) Требуемая поверхность теплообмена =42.5262164825395мл2)
1 Выбрать полный расчет.ехе
абличное значение площади теплообмена в мл2 = 51
Запас поверхности теплообмена =43.4409290209147%) Необходимое значение запаса поверхности теплообмена в Ж = 20
Запас поверхности теплообмена 43.4409290209147 удовлетворяет условию
Условие расчёта теплообмена: 1 - выбрать другие характеристики теплообменника, 2 - завершить расчёт 2
Программа завершена, нажмите любую клавишу . . .
Рисунок 2 - Результат расчёта необходимой площади теплообмена и подбора типового теплообменного аппарата
По результатам расчёта необходимая площадь теплообмена составляет 42,54 м2, а подобранная площадь типового теплообменного аппарата равна 61 м2, запас поверхности теплообмена составил
43,44%, что соответствует необходимому значению запаса поверхности теплообмена по заданию.
Из выше указанного следует, что разработанный алгоритм значительно упрощает
расчёт поверхности теплообмена и подбор типовых теплообменных аппаратов с заданным значением запаса поверхности теплообмена.
Список литературы Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Учебное пособие для вузов/Под ред. чл.-корр. АН СССР П.Г. Романкова. - 10-е изд., перераб. и доп.- Л.: Химия, 1987. - 576 с., ил.
УДК 621.181
Дытнерский Ю.И. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию - М.: Химия, 1991. — 496 с.
Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии / 7-ое изд. - М.: Химиздат, 1961 - 830 с.
Гельперин Н.И. Основные процессы и аппараты химической технологии. Том 1. - М.: Химия, 1981 - 812 с.
К ИСТОРИИ РАЗВИТИЯ МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА СЖИГАНИЯ ТОПЛИВА
Усиков Николай Васильевич,
кандидат технических наук, Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова,
г. Новочеркасск Дьяконов Евгений Михайлович кандидат технических наук, доцент, проректор, зав. кафедрой ТЭС и Т Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова,
г. Новочеркасск
TO THE HISTORY OF DEVELOPMENT OF METHODS FUEL QUALITY CONTROL
DOI: 10.31618/nas.2413-5291.2021.2.63.359
АННОТАЦИЯ
Рассмотрены приборы для измерения элементного состава уходящих газов котельных установок в их историческом развитии, методики теплотехнических расчетов сжигания топлива.
ABSTRAKT
Devices for measuring the elemental composition of flue gases from boiler plants in their historical development, methods of heat engineering calculations of fuel combustion are considered.
Ключевые слова: паровой котел, газовый анализ, измерительные приборы, расчетные формулы для определения коэффициента избытка воздуха.
Key words: steam boiler, gas analysis, measuring instruments, calculation formulas for determining the excess air ratio.
Потребление котельными установками органического топлива занимает значительное место в структуре топливно-энергетического баланса страны, поэтому его экономия при эксплуатации дает существенный экономический эффект. К числу важнейших мероприятий по повышению эффективности относится постоянный контроль состояния котельного оборудования. Для правильной эксплуатации необходимо постоянно знать, насколько правильно и экономично работает котел, знать, почему котел работает именно так, с такой величиной Это необходимо для того, чтобы иметь возможность изменением условий работы котла повысить его эффективность и тем самым сберечь тепло топлива [1].
Главным условием экономичного сжигания топлива является подача в топку достаточного количества воздуха, с которым на горение поступает кислород. Достичь полного сгорания топлива в котле при подаче теоретически необходимого количества кислорода как по причине конструктивного несовершенства
топочного устройства, так и вследствие того, что абсолютное перемешивание топлива с воздухом невозможно. Но, работая даже с избытком воздуха, мы получаем только более или менее совершенное сгорание топлива. При увеличении количества воздуха температура в топке понижается, между тем как высокая температура в топке является столь же важным условием полного выгорания топлива, как и количество воздуха [1]. Большое количество воздуха, подающееся в топку, непроизводительно забирает часть теплоты топлива. На практике поэтому опытным путем приходится устанавливать наивыгоднейшее (оптимальное) количество подаваемого воздуха.
Для определения избытка воздуха в уходящих (и топочных) газах используются автоматические и не автоматические, основанные на разности удельных плотностей, химические,
интерферометры, диффузионные [1].
Рассматриваемые газоанализаторы были разработаны и использовались ещё в XIX веке.
