CC BY
35
УДК 696. 48
Правник Ю.И. - инженер E-mail: [email protected] Манешев И.О. - аспирант E-mail: [email protected]
Антропов Д.Н. - кандидат технических наук, старший преподаватель E-mail: [email protected]
Садыков P.A. - доктор технических наук, профессор E-mail: Sadykov_R_A@mail ru, Рахимов Р.Г. - магистр Фаизов А.И. - бакалавр
Казанский государственный архитектурно-строительный университет
Адрес организации: 420043, Россия, г. Казань, ул. Зелёная, д. 1
Теплообменник шнековый трёхступенчатый*
Аннотация
Приводится краткое описание водо-водяного трёхступенчатого шнекового теплообменника и расчёты теплообмена в нём. Теплообменник представляет собой трёхступенчатую конструкцию, в которой горячая вода (теплоноситель) подаётся параллельно сразу в три ступени, а нагреваемая вода проходит последовательно по винтовой направляющей шнека во всех ступенях. Благодаря этому часть тепла идёт на нагрев воды для горячего водоснабжения, а оставшееся тепло идёт на систему отопления.
Ключевые слова: теплообмен, нагреваемая вода, теплоноситель, температура, скорость потока, канал, ступень.
Введение
Для практических целей разработан требуемой производительности, компактный водо-водяной теплообменник с высокой эффективностью теплообмена, обеспечивающий отопление и горячее водоснабжение, несложный в производстве и эксплуатации.
Описание теплообменника шнекового трёхступенчатого
Теплообменник шнековый трёхступенчатый, водо-водяной (рис. 1). Теплоносителем является горячая вода. Каждая ступень теплообменника включает: турбулизатор в виде шнека 1, размещённый в кожухе 2, расположенном в корпусе 3. Кожух 2 соединён патрубками 4 входа и выхода нагреваемой воды для последовательного протока по всем ступеням. Пространство внутри шнека 1 является внутренним каналом, пространство между кожухом 2 и корпусом 3 является наружным каналом для теплоносителя. Манжетные уплотнения 5 с распорными кольцами обеспечивают герметичное разъединение теплоносителя и нагреваемой воды. Расходная шайба 6 распределяет поток теплоносителя по наружным и внутренним каналам в ступенях. Расходная шайба 7 обеспечивает заданный расход теплоносителя по ступеням. Все ступени объединены коллекторами 8 входа и выхода теплоносителя. Ступени с каждой стороны снабжены заглушками 9. Сняв заглушку 9, удалив расходные шайбы 6 и 7 и соответствующее манжетное уплотнение 5, можно вынуть шнек 1 из ступени для его очистки от накипи, чем упрощается эксплуатация теплообменника. Длина шнека от входного до выходного патрубков 4 составляет один метр.
"Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки РФ (соглашение № 14. В37. 21. 0296 в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы).
Рис. 1. Теплообменник шнековый трёхступенчатый: 1 - шнек; 2 - кожух; 3 - корпус; 4 - трубки; 5 - манжетное уплотнение; 6 - расходная шайба; 7 - расходная шайба; 8 - коллектор; 9 - заглушка
Теплообменник работает следующим образом.
Теплоноситель, воздействуя на нагреваемую воду через внутренний и внешний каналы, одновременно протекает параллельно по всем ступеням. Путь, время пребывания нагреваемой воды и поверхность теплообмена увеличены благодаря винтовой направляющей шнека 1 и последовательному её протоку по всем ступеням, чем увеличивается кратность протока теплоносителя за один проход нагреваемой жидкости. Эффективность теплообмена увеличивается благодаря винтовому движению потока нагреваемой воды с изменением направления вращения потока нагреваемой воды по винтовому каналу шнека во второй ступени и возврату к начальному направлению вращения в третьей ступени, к тому же, в первой и третьей ступенях обеспечивается теплообмен противотоком.
Теплоноситель Горячая вода Теплоноситель
Ш ст
Теплоноситель
Холодная кода
Расчет теплообменника
1. Определение энергии, необходимой для обеспечения работоспособности системы ГВС [1]:
1.2-т-а.(60-{с).с 1,2-800-115-(60-5)-4,187 = т 3Вт = 20 24-3,6 24-3,6
где: т - число жителей (чел); а - норма расхода воды на горячее водоснабжение на одного человека в сутки (л/чел); с - удельная теплоемкость воды (ккал/кг °С); 1:с -температура холодной воды в зимнее время.
Требуемый расход горячей воды:
Угес=ат=800-115=92 м3/сут.
Эта вода расходуется за 16 часов (ночные часы - 8 часов - не учитываются), поэтому расход воды за один час составит:
Ув=Угес/16=92/16=5,75 м3/час.
Для обеспечения требуемого тепла для ГВС используется два (Ы) теплообменника данной конструкции (рис. 1). Один теплообменник должен выделить количество теплоты:
СЬКУ^ТОб,20/2=353,1 кВт.
Теплоноситель
Рис. 2. Расчётные размеры конструкции: Ьп - длина рабочей части шнека в ступени; к - технологический зазор; - диаметр шнековой части без рёбер; - диаметр шнековой части с рёбрами; ёж - внутренний диаметр наружного канала; - внешний диаметр наружного канала
2. Параметры конструкции теплообменника (рис. 2):
1) Диаметр шнековой части без ребер:
с1ш=с1вк+2 6=50+2-3=56 мм, где с!вк - диаметр внутреннего канала (мм); б - толщина стенки (мм). Диаметр шнековой части вместе с ребрами:
Бш=2Ь+2 к+с1ш=2-16,5+1+56=90 мм, где Ь - высота рёбер, к - технологический зазор (рис 2). Внутренний диаметр наружного канала:
аж=Вш+2 к+2-5!=90+1+2-2,5=96 мм,
где 61 - толщина стенки.
Внешний диаметр наружного канала:
Онк = А2к + С = л/502 +962 = 108,2 мм.
2) Эквивалентные диаметры:
Эквивалентный диаметр внутреннего канала: с1эвк=с1вк=0,05 м. Эквивалентный диаметр наружного канал:
Оэнк^Онк - ^=0,108 - 0,096=0,012 м. Эквивалентный диаметр шнековой части:
Оэш=Ош - аш=0,090 - 0,056=0,34 м.
3) Шнек (его конструкция). Шаг шнека:
Н=2аш=2-0,056=0,112 м, Длина шага шнека по диаметру внутреннему 1ш и внешнему Ьш:
1ш = ^(7ГХ ЛШ)2 +Н2 =7(ЗД4х0,056)2 + 0Д122 = 0Д5М,
Ьш = 71 • Вт У + Н2 = 7(3,14 • 0,090)2 + 0Д122 = 0,30 м. Средняя длина шага:
12=(1ш+Ьш)/2=(0, 15 +0,2)/2=0,18 м. Число витков на длине одной ступени шнека:
п=Ь„/(Н+5)= 1/(0,112+0,003)=9, где Ьп - длина рабочей части шнека в ступени (1 м).
Длина пути нагреваемой воды на одной ступени:
- по внутреннему диаметру канала:
12ш=п-1ш=9-0,15=1,35 м,
- по внешнему диаметру канала:
Ь2ш=п Ьш=9 0,30=2,70 м,
- средняя длина шнека на одной ступени (длина пути нагреваемой воды):
Ьсш=(1£ш+Ь£ш)/2=(1,35+2,7)/2=2,02 м. 4) Площадь проходного сечения внутреннего и наружного каналов:
£<=^^=0,785 авк2=0,785 -0,052=0,00196 м2. Площадь проходного сечения пшековой части:
€и=0,785 [(Бш+2 к)2 - с!ш2]=0,785-[(0,09+0,001)2 - 0,0562]=0,0040 м2. Поверхности теплообмена со стороны теплоносителя:
- внутренний канал:
Рвк=7г-авкЬп=3,140,05 1=0,157 м2,
- наружный канал:
Рнк=л анк Ь„=3,14 0,096-1=0,30 м2. Поверхность теплообмена нагреваемой воды:
- от внутреннего канала:
£к=тг-с1ш-11ш=3,140,056-1,35=0,24 м2,
- от наружного канала:
=тг-(Бш+2 к)-Ь1ш=3,14-(0,090+0,001)-2,7=0,77 м2. Поверхность рёбер шнека
£р=ЬЬсш=0,0165-2,02=0,033 м2. Поверхность шнека, омываемая нагреваемой водой:
033+0,77+0,24=1,043 м2 3. Тепловой расчёт теплообменника [2]
1) Скорость потоков:
- нагреваемой воды:
Wв=Vв/(N•fш•3600)=5,75/(2-0,0040-3600)=0,20 м/с,
- теплоносителя:
Wx=Vx/(N•n•z•fк•3600)= 19/(2-3-2-0,00196-3600)=0,22 м/с, где N - число теплообменников (соединены параллельно); п - число ступеней в теплообменнике; ъ - числ каналов в ступени Ух - расход теплоносителя (кг/с), заимствован из реального теплонагревателя мобильной установки.
2) Время протока:
- нагреваемой воды в одной ступени:
тв=ЬсшЛ¥в=2,02/0,20=10,1 с (в трёх ступенях Етв=30,3 с),
- теплоносителя через одну ступень:
тх=Ьп/\¥х= 1/0,22=4,54 с (в трёх ступенях 1кт=13,62). Количество смен протока теплоносителя в одной ступени за время протка подогреваемой воды:
Дт=тв//тх= 10,1/4,54=2,22.
3) Определение среднелогарифмического температурного напора:
Условно разобьем температуру нагреваемой воды на три равные части по 20 °С в каждой ступени.
Вода нагревается: в первой ступени до 12"=20 °С противотоком:
л, _«-ф-(^-О _(90-20)-(85-5)
90-20' { 85-5 .
- во второй ступень - до 12"=40 °С прямотоком:
2 ^ 90 - 20
г- г
н 1г
1п
85-40
в третья ступени - до 12"=60 С противотоком
д. = « - О - (С- О = (90 - 60) - (85 - 40) =
3 ^ 90 - 60 л
1п
-
г'
н 1г
1п
85-40
4) Критерий Рейнольдса теплоносителя:
- внутренний канал:
Кевк=Ч¥хс1эвк/у=0,220,05/0,326-10 б=33742,33;
- наружный канал:
Reнк=Wx•dЭнк/v=0,22•0,012/0,326- Ю'б=8098,16. Критерий Рейнольдса нагреваемой воды:
- первая ступень (противоток):
Кев^в-Бэш/у^О,200,035/1,006 10б=6958,25;
- вторая ступень (прямоток):
Кев2=Ч¥вБэш/у2=0,200,035/0,659-10б= 10622,15;
- третья ступень (противоток):
Кей^йБ,шМ=0,200,035/0,478 10б=14644,35.
5) Критерий Нуссельта теплоносителя: - внутренний канал:
0,8 -о 0,43
№1 = 0,021 • Яе„: • Рг
наружный канал:
Гъ V-25 Рг
= 0,021-33742,33 1,97
/ \0,25
1,97
Ш.„ = 0,021 • Яе.0:8 • Рг,043
/ \ 0,25
Рг
0,021-8098,16°8 • 1,97е
Критерий Нуссельта нагреваемой воды: - первая ступень (противоток):
Шв1=0,021.Кев°;8.РгГ
Гъ Л0'25
РГп Рг
= 0,021-6958,25°-7,03с
V у
\ 2'8 у
/ \0,25
7,03
= 105,4;
33,65.
вторая ступень (прямоток):
^ив2 = 0,021 • Яе°2 • Р%'43
г о Рг
= 0,021 10622,2 -4,35
ч 4,51 у
/ \0,25
4,36
третья ступень (противоток):
Шв3=0,021.Кев?.РгГ
Гъ V'25 Рг
= 0,021-14644,40'8 -3,02е
ч3,17у
/ \0,25
3,02
= 64,0,
= 71,1,
ч2,51у
= 76,15.
6) Коэффициент теплоотдачи теплоносителя.
- внутренний канал:
ссвк=Швк Хх/Ь„=105,4 0,676/1=71,25 кВт/м2 °С,
- наружный канал:
анк=^нк-^т/Ь„=33,65-0,676/1=22,75 кВт/м2 °С. Коэффициент теплоотдачи нагреваемой воды:
- первая ступень (противоток):
ав1=Кив1Х1/Ьсш=64,0 0,597/2,02=18,9 кВт/м2 °С,
зв1 в1
1 + 1,77хД_„ /
(2хк+ <1 \
= 18,9х
1 2 )\
1+1,77x0,038/
2x0,017 +0,056 V
47,06 кВт/м2оС,
вторая ступень (прямоток):
ов2=Кив2 Х2/Ьсш=71Д 0,627/2,02=22,07 кВт/м2 °С,
2x0,017 + 0,056V
1+1,77хП /
( 2х ¿2+ Й? ^
ш = 22,07 х
1 2 )\
1+1,77x0,039/
54,95кВт/м2оС,
третья ступень (противоток):
ав3=Кив3 Х3/Ьсш=76,15 0,650/2,02=24,5 кВт/м2 °С,
2x0,017 +0,056 V
а , = а , х
эв Ь в Ь
1 + 1,77хА.„/
( 2 хк + (1 Л
ш = 24,5х
1 2 )\
1 + 1,77x0,039/
62,08 кВт/м2 °С.
7) Количество теплоты, расходуемое теплоносителем. В первой ступени:
(Звк^к-о^к-Л^О, 157-71,25-74,9=837,85 кВт с, Рнк1=Рнк аНк А11=0,34-22,75-74,9=511,2 кВт с. Суммарное количество теплоты в первой ступени:
д£1=Ат-(двк1+днк1)=2,22-(837,85+511,2)=2994,90 кВт с. Во второй ступени:
двк2=Рвк авк-А12=0,157-71,25-56,6=633,14 кВт с, днк2=Рнк анк А12=0,30-22,75-56,6=386,30 кВт с. Суммарное количество теплоты во второй ступени:
д12=Ат-(двк2+днк2)=2,22-(633,14+386,30)=2263,15 кВт с. В третьей ступени:
Рвкз^вк-Овк-А^О, 157-71,25-37,0=413,89 кВт с, днкз=РнкОСнк-А13=0,3-22,75-37,0=252,53 кВт с. Суммарное количество теплоты в третьей ступени:
(Ъ=Ат-(двкз+днкз)=2,22-(413,89+252,53)=1479,44 кВт с. Суммарное количество теплоты, расходуемое теплоносителем:
2дх=д£1+д12+д£3=2994,90+2263,15+1479,44=6737,50 кВт с.
8) Количество теплоты, необходимое для нагрева воды:
- в первой ступени:
(&=аэъ1-¥ш-(г2" - ^=47,06• 1,043 (20 - 5)=736,25 кВт с,
- во второй ступени:
д2=аэв2-Рш-(12" - ^=54,95-1,043 (40 - 20)=1146,25 кВт с,
- в третьей ступени:
(2з=аэвз Рш (12м -12')=62,08-1,043 (60 - 40)=1295,40 кВт с. Суммарное количество теплоты, необходимое для нагрева воды за один проток через все ступени:
2£)в = + + дз = 736,25 +1146,25 +1295,40 = 3177,90 кВт с. Излишек располагаемой теплоты составляет:
(^ад - Едв=б373,5 - 3177,9=3559,6 кВт с,
и намного превышает требуемое для горячего водоснабжения, поэтому он может быть направлен в систему отопления, что позволяет обходиться одной линейкой энергоносителя, с одной группой сетевых насосов, вместо двух по схеме: одна линейка на отопление, вторая - для горячего водоснабжения.
Температура теплоносителя на выходе из теплообменника может быть определена по удельному теплосодержанию [2]:
1=дв-№3600/(Етх-Ух -ух)+1б0=3559,6-2-3600/(30,3-19-983,13)+251,16=296,4 кДж/кг,
что приблизительно соответствует —76 °С, где i - удельное теплосодержание теплоносителя интересуемой температуры; i60 - удельное теплосодержание теплоносителя при 60°С.
9) Теплоизоляция теплообменника
Потери тепла без изоляции одной ступени:
QnT=cCocFK(ti' - toC)= 13,94-0,85 8-(90 - 20)=837,24 Вт, где коэффициент теплоотдачи [3]:
aoc=10,3+0,52-(ti' - toC)= 10,3+0,052(90 - 20)=13,94 Вт/м2 °С, t/ и toc - температуры теплоносителя и окружающей среды; площадь наружной поверхности корпуса одной ступени:
F^Tr-MDHK+2-Ô! )+fK=7r-l-(0,108+2-0,0025)+0,503=0,858 м2, здесь 0,503 - площадь поверхности входной и выходной части ступени.
Мы имеем дело с тремя ступенями, плюс два коллектора входа и выхода теплообменника, плюс шесть фланцев с заглушками. Таким образом, полученное количество теплоты (потери теплоты) можно увеличить в пять раз:
£Qnr=5-Qnr=5-837,24=4186,2 Вт.
Потери тепла с использованием пенополиуретана (ППУ) с коэффициентом теплопроводности Х=0,05 Вт/м °С и толщиной изоляционного слоя 0=0,02 м составят:
0/-0 (90-20) =-и-ос/-=-v-)_-= 636,8 Вт,
^пи о ! 0 02 !
5-^Д, 5-^нкаос 5-0,858-0,05 5-0,858-13,94 т.е. теплоизоляция уменьшает потери на ДЕС)П=ЕС)ПТ - ЕС)пи=4186,2 - 636,8=3549,7 Вт.
Заключение
Расчёты пшекового трёхступенчатого теплообменника показали, что он способен обеспечить требуемое количество теплоты для системы теплоснабжения, включая отопление и горячее водоснабжение.
Для этого надо обеспечить расход теплоносителя - ¥=19 мУч температурой - до 1=110 °С. При этом количество нагреваемой воды - У=5,7 м3/ч можно нагреть до температуры с 1=+5 °С до 1=+60 °С.
Список литературы
1. Ахмерова Г.М. Экономика и инженерное обеспечение систем теплоснабжения и горячего водоснабжения: Учебное пособие. - Казань: КГАСУ, 2005. - 125 с.
2. Михеев М.А, Михеева И.М. Основы теплопередачи. - М.: Изд-во «ЭНЕРГИЯ», 1977.-343 с.
3. Ахмерова Г.М., Вьюшин И.Д., Ланцов А.Е. Методическое указание для лабораторных работ по теплотехническим характеристикам участков неизолированного теплопровода. - Казань: КГАСУ, 2003. - 29 с.
Pravnik Y.I. - engineer E-mail: [email protected]
Antropov D.N. - candidate of technical sciences, senior lecturer E-mail: [email protected]
Sadykov R. A. - doctor of technical sciences, professor E-mail: [email protected], Rakhimov R.G. - magistrate Faizov A.I. - bachelor
Kazan State University of Architecture and Engineering
The organization address: 420043, Russia, Kazan, Zelenaya st., 1
Haeecmuii OTACY, 2013, № 2 (24)
Screw three stage heat exchanger
Resume
The heat exchanger is a three-tier structure in which hot water (coolant) is fed in parallel at once in three stages, and the heated water is consistently a helical screw guide in all grades. Because of this heat exchanger is able to provide the necessary heat for domestic hot water (DHW) and, simultaneously, the excess energy of the coolant can be used in the heating system, actually, what is intended for. This eliminates the need for a line of energy source, with one group of network pumps instead of two standard schemes: one line - for heating, the second -for hot water. This saves money for the purchase of hardware and operating systems, simplifying it. This design thanks to its compact size can be used in small devices, and be generating any power. Depending on the need, it can easily be turned into a four-step and more. When mounted on a carrier output levels remotely controlled shut-off devices can adjust the temperature of hot water. By the nature of the screw three-stage heat exchanger can be attributed to the rapid heat exchangers.
Keywords: heat transfer, the heated water, coolant temperature, flow rate, channel level.
References
1. Akhmerova G.M. Economics and engineering systems of heating and hot water supply: the manual. - Kazan: KGASU, 2005. - 125 p.
2. Mikheev M.A., Mikheev I.M. Fundamentals of Heat Transfer. - M.: Publishing House of the «ENERGY», 1977. - 343 p.
3. Akhmerova G.M. Vyushin I.D., Lantsov A.E. guidelines for laboratory work in heat engineering characteristics plots of bare heat lines. - Kazan: KGASU, 2003. - 29 p.
