CC BY
67УДК 66.045.1
ТЕПЛООБМЕННИК. Хван В. С., Пиронко С. А.
ФГАОУ ВО «Крымский федеральный университет имени В.И. Вернадского»,
Академия строительства и архитектуры (структурное подразделение),
Адрес: г. Симферополь, ул. Киевская, 181.
Аннотация. В данной работе представлен принципиально новый, эффективный, компактный теплообменный аппарат, который может быть использован в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха. Устройство имеет металлический цилиндрический корпус, внутри которого закреплены металлические перегородки. Перегородки одной стороной закреплены между собой вдоль осевой линии цилиндра корпуса, другой стороной к внутренней стенке корпуса, третьей и четвертой сторонами к торцовым стенкам аппарата. Перегородки имеют форму прямоугольника. Линейные размеры перегородок: ширина равна радиусу окружности цилиндра корпуса, а длина - длине цилиндрического корпуса аппарата. Перегородки, в свою очередь, делят внутренний объем устройства на отдельные равные по объему сегменты. Четные и нечетные (по нумерации) объемные сегменты внутри корпуса аппарата последовательно соединены между собой с помощью колен и образуют два независимых друг от друга контура, по первому контуру подается горячая вода, а по второму контуру подается холодная вода, при этом горячая вода нагревает холодную воду и охлаждается, далее она выводится из теплообменника и поступает на источник нагрева (например, котельная), а нагретая вода подается в систему отопления.
Ключевые слова. аппарат. система. отопление. корпус. перегородка. полость. трубка. теплообмен. вода. устройство.
Введение.
В настоящее время повышению теплопередающей способности теплообменных аппаратов уделяется очень большое внимание со стороны разработчиков и проектантов технологического оборудования.
Процесс теплообмена между двумя средами типа вода-вода в теплообменных аппаратах имеет ключевое значение для систем отопления, так как позволяет увеличить степень нагрева низкотемпературного теплоносителя и сократить непроизводительные потери тепла.
Достаточно большое количество известных конструкций теплообменников обладают таким существенным недостатком как сравнительно низкая эффективность теплообмена между высокотемпературной и низкотемпературной средами.
Анализ публикаций.
Известен теплообменник типа «труба в трубе», выполненный в виде последовательно соединенных секций, каждая из которых состоит из цилиндрической трубы большего диаметра, внутри которой установлена цилиндрическая труба меньшего диаметра. В трубу меньшего диаметра подается холодная вода для нагрева, а в трубу большого диаметра подается горячая вода, предназначенная для нагрева холодной воды. Секции теплообменника соединяются между собой с помощью металлических колен, а межтрубные пространства смежных секций соединяются с помощью патрубков [1,2,5,6,8].
Однако, известный аппарат обладает сравнительно низкой теплопередающей
способностью за счет неразвитой поверхности теплообмена между средами.
Цель и постановка задачи исследований.
Цель работы. Повышение
теплопередающей способности теплообменника за счет увеличения поверхности теплообмена между высокотемпературной и низкотемпературной средами.
Поставленная цель достигается за счет установки внутри кожуховой трубы теплообменника прямоугольных по форме стальных перегородок таким образом, что они образуют сквозные каналы, четные из которых предназначены для заполнения высокотемпературной средой, а нечетные -низкотемпературной средой (в качестве указанных сред используются горячая и холодная воды). В свою очередь четные каналы соединены между собой коленом, помимо этого первый четный канал снабжен патрубком для ввода горячей воды, а последний - патрубком для вывода охлажденной воды. Нечетные каналы также соединены между собой коленом, помимо этого последний нечетный канал снабжен патрубком для ввода холодной воды, а первый - патрубком для вывода нагретой воды.
Задачи. Устройство выполнено в виде цилиндрического корпуса, внутри которого закреплены металлические перегородки.
Перегородки одной стороной закреплены между собой вдоль осевой линии цилиндра корпуса, другой стороной к внутренней стенке корпуса, третьей и четвертой сторонами к торцовым стенкам аппарата. Перегородки имеют форму прямоугольника. Линейные размеры перегородок: ширина равна радиусу окружности цилиндра корпуса, а длина -длине цилиндрического корпуса аппарата.
Перегородки, в свою очередь, делят внутренний объем устройства на отдельные равные по объему сегменты.
Четные и нечетные (по нумерации) объемные сегменты внутри корпуса аппарата последовательно соединены между собой с помощью колен и образуют два независимых друг от друга контура, по первому контуру подается горячая вода, а по второму контуру подается холодная вода, при этом горячая вода нагревает холодную воду и охлаждается, далее она выводится из теплообменника и поступает на источник нагрева (например, котельная), а нагретая вода подается в систему отопления.
Методика исследований.
Для решения поставленных задач сравнивались конструктивные особенности теплообменников, в частности, аналогов. Оценивались недостатки известных аппаратов, в результате разработано новое конструктивное решение теплообменника.
Результаты исследований.
Разработан принципиально новый аппарат оригинальной конструкции. На рис. 1 представлена конструкция теплообменного аппарата.
Рис. 1. Конструкция теплообменника:
1 - корпус аппарата; 2 - металлические перегородки; 3 - патрубок для ввода горячей воды; 4 - патрубок для вывода охлажденной воды; 5 -патрубок для ввода холодной воды; 6 - патрубок для вывода нагретой воды; 7 - калач; 8 - горячая вода; 9 - холодная вода.
Конструкция теплообменника включает: цилиндрический корпус 1, внутри которого закреплены металлические перегородки 2. Перегородки 2 одной стороной закреплены между собой вдоль осевой линии цилиндра корпуса 1, другой стороной к внутренней стенке корпуса 1, третьей и четвертой сторонами к торцовым стенкам аппарата. Перегородки 2 имеют форму прямоугольника. Линейные размеры перегородок 2: ширина равна радиусу окружности цилиндра корпуса, а длина - длине цилиндрического корпуса аппарата.
Перегородки 2, в свою очередь, делят внутренний объем устройства на отдельные равные по объему сегменты. Каждый единичный объемный сегмент ограничен двумя смежными перегородками 2, частью сферической поверхности корпуса 1, а также равными между собой площадями, имеющими форму секторов на противоположных торцовых частях аппарата.
Нечетные (относительно вертикальной оси корпуса 1 и по часовой стрелке) объемные сегменты последовательно соединены между собой с помощью колен 7 и образуют независимый контур
по которому подается холодная вода 9, предназначенная для нагрева в теплообменнике. Соединительное колено 7 имеет форму полукольца и крепится к сегментам посредством сварки. Ввод холодной воды осуществляется через патрубок 5, который установлен на торцовой стенке первого нечетного сегмента. Для вывода нагретой воды используется патрубок 6, закрепленный с помощью сварки на торцовой стенке последнего нечетного сегмента.
Четные (относительно вертикальной оси корпуса и по часовой стрелке) объемные сегменты также последовательно соединены между собой с помощью колена 7 и образуют независимый контур по которому подается горячая вода 8, которая после передачи тепла охлаждается в теплообменнике. Ввод горячей воды осуществляется через патрубок 3, который расположен на торцовой стенке первого четного сегмента. Для вывода охлажденной воды используется патрубок 4, установленный на торцовой стенке последнего четного сегмента.
На рис. 2 представлен разрез теплообменника по линии 1-1.
На рис. 2. Разрез по линии 1-1.
Теплообменник работает следующим образом.
Горячая вода 8 от источника тепла, например котельной, подается в теплообменник через патрубок 3 и заполняет последовательно четные сегменты аппарата посредством соединительных колен 7. Одновременно с этим процессом, в аппарат через патрубок 5 подается холодная вода 9, которая последовательно заполняет нечетные сегменты посредством соединительных колен 7, причем движение жидкостей внутри аппарата осуществляется в противотоке (навстречу друг другу). Источником холодной воды 9 является водопроводная сеть. Контакт между горячей и холодной водой происходит через поверхность теплообмена в качестве которой служат металлические перегородки 2. В результате теплообмена между двумя средами горячей водой 8 и холодной водой 9, горячая вода 8 охлаждается, а холодная вода 9 - нагревается. Причем процесс теплообмена происходит двухсторонний. При этом холодная вода 9 в теплообменнике нагревается и используется в дальнейшем для нужд систем горячего водоснабжения или отопления. В свою очередь, горячая вода 8 в теплообменнике охлаждается и возвращается в котельную для подогрева.
Методика расчета и подбора теплообменника.
Методика расчета и подбора аппарата представлена в [3,4,7,9,10,11,12].
Предварительно определяем оптимальное соотношение числа ходов для сетевой и нагреваемой воды:
о„
N0.364 ,
X АР. I х Ю00 " с
АД
(1.0)
1000 - ?
О„
С ■ / -Р-3600
(1.1)
Принимаем число каналов. Определяем площадь каналов . Для него /к, м2.
Общее живое сечение каналов в пакете:
/ = /1, м2 (1.2)
Фактические скорости: - для нагреваемой воды:
О,
н 3600 - / - для греющей воды:
О„
, м / с
м / с
(1.3)
(1.4)
1,16 - А - [23000 + 283 - - 0,63((ср.на„ )2 ]■ С
.73
(1.6)
(К):
К = -
р
(1.7)
1 1 8СГ -+-
а а X
гр сеть ст
где Л = 0,001;
X ( ) = 16 Вт / м - К ;
ст(сталь )
р = 0,8 - коэффициент загрязнения. Определяем требуемую поверхность нагрева ВВП первой ступени:
F, =
е,
(1.8)
к -Кл
Количество ходов в теплообменнике (х):
х = Ртр + /пл (1.9)
Предварительно принимаем потери напора по нагреваемой воде АРн = 40кПа , а на греющей
воде АРр = 100кПа .
Так как соотношение ходов < 2, то принимаем симметричную компоновку (одинаковое количество ходов по греющей и нагреваемой воде).
Принимаем оптимальную скорость нагреваемой воды 0,4 м/с.
Определим число каналов:
2п - /ш = 1,
т.е. одноходовои
Принимаем х теплообменник с п = 9.
Действительная поверхность нагрева:
= (2п - х -1)-/п
F = (2п - х
тепл '
(1.10)
Определим потери давления: для нагреваемой воды:
АР2 = ф-Б - (33 - 0,08 - гр)- со1,15 - х,Па (1.11)
где <р = 1,75 - коэффициент накипиобразования;
Б =3 - гидравлический коэффициент. Для греющей воды:
АР1, Па
Проверка:
,0 636 / N 0364
О„ I ГАр^ 1000 - С
АР2
(1.12)
(1.13)
1000 - гр
гр 3600- /2
Определим коэффициент теплоотдачи от греющей воды к стенке:
агр = 1,16-А-[23000 + 283- 1сргр -0,63^)2] -<3 (1.5) где для выбранного типа теплообменника А = 0,492 (коэффициент теплоотдачи).
Определяем коэффициент теплоотдачи от стенки к нагреваемой воде:
Определяем коэффициент теплопередачи
Использование разработанного устройства в качестве теплообменника в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха позволяет повысить теплопередающую способность теплообменника за счет увеличения поверхности теплообмена между высокотемпературной и низкотемпературной средами.
Выводы.
Разработанный теплообменный аппарат позволяет:
1. Увеличить поверхность теплообмена между средами.
2. Обеспечить двусторонний нагрев (охлаждение) воды.
3. Повысить к.п.д. аппарата.
4. Уменьшить материалоемкость аппарата.
Список литературы.
1. Банных О.П. Основные конструкции и тепловой расчет теплообменников. Учебное пособие. СПбНИУ ИТМО, 2012. - 42 с.
2. Виноградов С.Н., Таранцев К.В., Виноградов О.С. Выбор и расчет теплообменников. Учебное пособие. Пенза. 2001. - 100 с.
3. Теплотехника: Учеб. для вузов / А. П. Баскаков, Б. В. Берг, О. К. Витт и др.; Под ред. А. П. Баскакова.— 2-е изд., перераб.— М.: Энергоатомиздат, 1991.— 224 с.
м
X _ I Он
X
2
м
п
X
Х2 {О„
а
4. Каневец Г.Е. Обобщенные методы расчета теплообменников.- Киев: Наукова думка, 1979. -352.
5. Кейс В.М., Лондон А.Л. Компактные теплообменники.- М.: Энергия, 1967. - 160 с.
6. Керн Д., Краус А. Развитые поверхности теплообмена.- М.: Энергия, 1977. - 464 с.
7. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. - М.: Энергия, 1973. - 344 с.
8. Петровский Ю.В., Фастовский В.Г. Современные эффективные теплообменники.- М.-Л.: Энергоиздат, 1962. - 258 с.
Khwan V. Б.,
9. Стасюлявичус Ю., Скринска А. Теплоотдача поперечно-обтекаемых пучков ребристых труб.-Вильнюс: Минтис, 1974. - 59 с.
10. Тепло- и массообмен. Теплотехнический эксперимент. Справочник.- М.: Энергоиз-дат, 1982. - 512 с.
11. Теплотехнический справочник. Т. 2.— М.: Энергия, 1976. - 896 с.
12.Юдин В.Ф., Тохтарова Л.С. Конвективный теплообмен при поперечном обтекании пучков ребристых труб.- Энергомашиностроение, 1974, № 1. - 59.
Perenco S. A.
THE HEAT EXCHANGER.
Abstract. This paper presents a fundamentally new, efficient, compact heat exchanger, which can be used in heating, ventilation and air-conditioning. The device has a metallic cylindrical body, inside of which are mounted on metal partitions. Partition one side fixed with each other along an axial line of the cylinder housing, the other side to the inner wall of the housing, the third and fourth sides of the end wall of the apparatus. Partitions are rectangular in shape. The linear dimensions of the partitions: width equal to the radius of the circumference of the cylinder body, and the length - the length of the cylindrical body of the apparatus. Partitions, in turn, divide the internal volume of the device to separate equal-volume segments. Even and odd (numbered) surround the segments inside the housing unit are connected to each other via a knee length and form two independent from each other loop, the first loop provides hot water, and the second circuit is cold water while the hot water heats the cold water and cooled, then it is output from the heat exchanger and enters the heat source (e.g. boiler), and the heated water is fed into the heating system.
Keywords. camera. system. heating. body. partition. cavity. tube. the heat exchange. water. device.
