Лабораторна робота 3 Робота у програмі CAS 200 по проектуванню пластинчастих теплообмінників з фазовим переходом (конденсація пари) у каналах
МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ
до лабораторних робіт з курсу
«ПРОЕКТУВАННЯ ТА РОЗРАХУНОК ТЕПЛООБМІННОГО ОБЛАДНАННЯ»
для студентів спеціальності
«Комп’ютерно-інтегровані процеси та виробництва»
денної форми навчання
ЗАТВЕРДЖЕНО
редакційно-видавничою
радою університету,
протокол № 1 від 20.06.2012 р.
Харків
НТУ «ХПІ»
Методичні вказівкидо лабораторних робіт з курсу «Проектування та розрахунок теплообмінного обладнання» для студентів спеціальності «комп’ютерно-інтегровані процеси та виробництва» денної форми навчання/ Бабак Т.Г., Хавін Г.Л. – Харків, 2013 – 48 с.
Укладачі: Т.Г. Бабак, Г.Л. Хавін
Рецензент: К.О. Горбунов
Кафедра інтегрованих технологій, процесів та апаратів
ВСТУП
Для успішної і кваліфікованої підготовки інженерів необхідно, щоб кожний студент навчився ефективно використовувати обчислювальну техніку для розв’язання задач, що пов’язані з проектуванням теплообмінного обладнання. Розв’язання інженерних задач, що базуються на створених математичних моделях реальних об’єктів, неможливе без практичної підготовки студентів в галузі розрахунків теплообмінних апаратів, зокрема, пластинчатих конденсаторів та кип’ятильників.
Вибір теплообмінного апарата здійснюється на основі виконання ряду вимог, до яких відносять, поперед усе, відповідність теплообмінника технологічному процесу. Це забезпечується виконанням заданих температурних параметрів, організацією можливості регулювання і мінімізацією необхідного часу перебування продукту в апараті. З іншого боку робота теплообмінника повинна бути високоефективною та економічною, що досягається за допомогою високої інтенсивності теплообміну та виконання гідравлічних умов експлуатації.
Окрім цього, при розрахунку парових пластинчатих конденсаторів і кип’ятильників необхідно забезпечити умови вільного виходу парового конденсату. Також парові пластинчаті апарати мають обмеження щодо конструктивної компоновки апаратів, які треба враховувати. Проектування апаратів такого класу потребує виконання багатоваріантних розрахунків і знання фізичних явищ, що мають місце в каналах пластинчатих теплообмінників при конденсації або випаровуванні різних рідин.
Змістом даних методичних вказівок до лабораторних робіт є вивчення та оволодіння навиками проектування пластинчатого теплообмінного обладнання, вибору раціонального рішення згідно з заданими обмеженнями конкретної задачі і роботи з програмою для розрахунків пластинчатих теплообмінників.
Лабораторна робота 1
Робота у програмі CAS 200 по проектуванню пластинчастих теплообмінників з теплоносіями
«рідина-рідина»
Мета роботи. Метою даної теми є ознайомлення з інтерфейсом програми CAS 200 по проектуванню пластинчастих теплообмінників фірми «Альфа Лаваль» з теплообміном між рідинними теплоносіями (охолоджувачами або підігрівачами).
Методичні вказівки. Програма CAS виконує розрахунки теплообмінників з номенклатури пластинчастих апаратів різних типів виробництва фірми «Альфа Лаваль». У процесі розрахунків можна одержати декілька варіантів розбірних, паяних або зварних апаратів. Вибір того або іншого варіанту залежить від заданих умов експлуатації та досвідчення проектанта.
Створити новий проект або викликати для редагування вже створений можна за допомогою випадного списку (1) на рис.1 і натисканням кнопки «Duty Design» (2). Розрахунок пластинчастих розбірних та паяних апаратів для теплообміну «рідина-рідина» здійснюється вибором опції «Distr PHE 1-phase» випадного списку (3). Редагування властивостей теплоносіїв і додавання нових теплоносіїв можливе, якщо викликати редактор середовищ «Fluid editor» – кнопка (4).
Рисунок 1 – Головне меню програми CAS 200
Після створення нового проекту натисканням кнопки «Duty Design», буде відкрито вікно для завдання даних щодо теплоносіїв та бажаних чи потрібних опцій теплообмінника (рис. 2).
Рисунок 2 – Інтерфейс програми CAS 200 розрахунку теплообмінника
За умовчанням буде встановлено систему одиниць виміру величин, які необхідно задати при проектуванні. Змінити систему одиниць можна за допомогою меню Settings/Units (SI – система СИ, Metric – метрична), для зміни розмірності витрати рідини необхідно в меню Settings/Flow обрати або об’ємну (Volume flows – м3/год), або масову (Mass flows – кг/год) витрату. Перелік елементів вікна завдання даних наведено у табл. 1.
Для проведення розрахунків з випадного списку (1), рис. 2, треба вибрати режим «Design», що використовується для вибору теплообмінника. Режим «Rating» застосовується при необхідності проведення перевірочних розрахунків вже обраного теплообмінника.
Теплове навантаження задається у вікні (2). Якщо задається значення витрати по одному з теплоносіїв, тоді теплове навантаження підраховується автоматично з рівняння теплового балансу.
Таблиця 1 – Зміст головного вікна даних для розрахунку теплообмінника «рідина-рідина» програми CAS 200
| Позиція | Призначення |
| Вид розрахунків («Design» – проектування, «Rating» – перевірочний розрахунок) | |
| Теплове навантаження | |
| Рідина, що віддає тепло | |
| Витрата рідини, що віддає тепло | |
| Втрати тиску по стороні, що віддає тепло | |
| Вхідна температура рідини, що віддає тепло | |
| Вихідна температура рідини, що віддає тепло | |
| Вид процесу по стороні, що віддає тепло | |
| Розкриття результатів розрахунків | |
| Вид процесу по стороні, що приймає тепло | |
| Встановлення напрямку потоків | |
| Вихідна температура рідини, що нагрівається | |
| Вхідна температура рідини, що нагрівається | |
| Рідина, що нагрівається | |
| Витрата рідини, що нагрівається | |
| Втрати тиску по стороні, що нагрівається | |
| Вибір типу теплообмінника | |
| Коефіцієнт запасу | |
| Матеріал пластин | |
| Відкриття вікна компоновки пластин | |
| Розрахунок | |
| Товщина пластини | |
| Відкриття вікна додаткової інформації для проектування | |
| Розрахунок басейну |
У вікна (6), (7), (12), (13) вводяться значення відповідних температур.
За умовчанням теплообмінник розраховується для режиму протитоку. Для встановлення прямоточного руху потоків треба встановити відмітку «Cocurrent» (11).
У вікна (5), (16) треба ввести максимально припустимі втрати тиску по теплоносіях.
Необхідний запас коефіцієнта теплопередачі теплообмінника задається у вікні (18). За умовчанням запас дорівнює нулю.
Опція випадного списку (17) за умовчанням – «Prog Sel». Це означає, що вибір теплообмінника буде здійснюватися з усіх можливих видів пластинчастих теплообмінників. При розрахунках розбірних теплообмінників рекомендовано задавати вибір виду теплообмінника. Для цього необхідно обрати опцію «Gasketed». Також існує можливість обрати необхідний тип пластини теплообмінника безпосередньо. У цьому випадку розрахунки будуть проводитись тільки для даного типу.
Випадні списки (19) та (22) призначені для вибору матеріалу та товщини пластин. Для розбірних теплообмінників стандартний матеріал пластин – нержавіюча сталь AISI 316 0,5 мм завтовшки.
Додаткові дані для вибору теплообмінника можна задати, натиснувши кнопку (23) – «More». Вікно для завдання додаткових даних зображено на рис. 3, а в табл. 2 описані елементи цього вікна.
Рисунок 3 – Вікно додаткової інформації для проектування
Таблиця 2 – Зміст вікна додаткової інформації для проектування
| Позиція | Призначення | |
| Фактор забруднення (не заповнюється) | ||
| Мінімальна ширина каналу (не заповнюється) | ||
| Мінімальна напруга на стінці пластини (не заповнюється) | ||
| Співвідношення проектного та випробувального тиску (не заповнюється) | ||
| Кількість теплообмінників | ||
| Максимальна кількість пластин в одному апараті | ||
| Дані по стороні, що нагріває | ||
| Дані по стороні, що гріється | ||
| Робоча температура (мінімальна / максимальна) | ||
| Робочий тискй | ||
| Максимальна швидкість в патрубках | ||
| Діаметр вхідних патрубків | ||
| Діаметр вихідних патрубків | ||
| Кількість вхідних патрубків | ||
| Кількість вихідних патрубків | ||
Якщо проектувальник має певні вимоги до компоновки теплообмінника, треба натиснути кнопку (20) – «Grouping». Відповідне вікно зображено на рис. 4. Табл. 3 містить опис елементів цього вікна.
Рисунок 4 – Компоновка каналів теплообмінників
Таблиця 3 – Зміст вікна компоновки каналів теплообмінників
| Позиція | Призначення |
| Варіанти компоновки | |
| Компоновка обирається автоматично («Prog Sel») | |
| Кількість ходів | |
| Кількість каналів | |
| Тип каналів | |
| Змішана компоновка каналів дозволяється | |
| Компоновка каналів симетрична |
Варіанти групування каналів теплообмінника можуть бути такими: (1а) – дозволено тільки один тип каналів (у випадку багатоходового теплообмінника усі ходи ідентичні); (1б) – дозволено два різних типа каналів (у випадку багатоходового теплообмінника усі ходи ідентичні); (1в) – дозволено тільки один тип каналів (у випадку багатоходового теплообмінника усі ходи неідентичні).
При натисканні кнопки «Design», будуть проведені розрахунки. Отримані результати з’являться в окремому вікні (рис. 5), елементи цього вікна прокоментовані у таблиці 4.
Рисунок 5 – Результати розрахунку
Таблиця 4 – Зміст вікна результатів розрахунку
| Позиція | Призначення |
| Кількість теплообмінників, що треба встановити паралельно | |
| Тип обраного теплообмінного апарата | |
| Кількість пластин | |
| Загальна площа поверхні теплопередачі | |
| Товщина пластини | |
| Матеріал пластини | |
| Звернення результатів розрахунку | |
| Коефіцієнт запасу | |
| Коефіцієнт теплопередачі | |
| Дані по стороні, що віддає тепло | |
| Дані по стороні, що гріється | |
| Робоча температура | |
| Робочий тиск | |
| Втрати тиску | |
| Компоновка каналів | |
| Втрати тиску в портах та приєднаннях | |
| Швидкість у приєднаннях | |
| Меню додаткової інформації після розрахунку | |
| Меню фізичних даних теплоносіїв |
Порядок виконання роботи
1. Вивчити порядок завдання вхідних даних у програмі CAS 200.
2. Вивчити порядок одержання розрахунків та порядок дій у разі зміни вимог до проведення розрахунків.
3. Розрахувати розбірний теплообмінник для даних з табл. 5.
4. Розрахувати двоходовий теплообмінник марки М6М, що складається тільки з Н пластин.
5. Розрахувати теплообмінник марки М6 з запасом 20 % та двома входами та виходами по стороні холодного та гарячого теплоносіїв.
6. Перевірити придатність теплообмінника марки М6 з компоновкою 30МН+10L/30ML+10L, проаналізувати одержаний результат і зробити рекомендації.
Таблиця 5 – Дані для розрахунку теплообмінника
| Призначення апарату | Теплообмінник гарячого водопостачання | |
| Теплове навантаження, КВт | Q = 1000 | |
| Потік | Гарячий | Холодний |
| Середовище | Вода | Вода |
| Робочий тиск, МПа | P1 = 0,3 | P2 = 0,3 |
| Витрати, м3/год | з балансу | з балансу |
| Температура на вході, °С | T1 = 70 | T3 = 5 |
| Температура на виході, °С | T2 = 30 | T4 = 55 |
| Допустимі втрати тиску у теплообміннику, кПа | DP1 = 25 | DP2 = 25 |
Зміст звіту
1. Листінги розрахунків теплообмінних апаратів.
2. Аналіз отриманих результатів по кожному пункту завдання.
Контрольні запитання
1. Чим відрізняються розрахунки в режимі «Design» від розрахунку в режимі «Rating» ?
2. Який зміст має параметр «Margin» при розрахунку теплообмінника?
3. Чим відрізняються теплообмінники з останніми літерами М і В або без літери?
4. Які види компоновок апаратів марки «Альфа Лаваль» Вам відомі?
5. Що таке дотична напруга на стінці пластини і що вона характеризує?
6. У чому сенс застосування змішаної компоновки пластин у теплообмінниках?
7. У чому сенс застосування багатоходової компоновки у теплообмінниках?
Лабораторна робота 2
Розрахунки у програмі CAS 200 для вибору пластинчастих теплообмінників з теплоносіями
«рідина-рідина»
Мета роботи. Метою даної теми є оволодіння навичками розрахунків теплообмінників різних типів у середовищі програм CAS 200 по проектуванню пластинчастих теплообмінників фірми «Альфа Лаваль» з теплообміном між рідинними теплоносіями (охолоджувачами або підігрівачами). Студент повинен уміти проводити багатоваріантні розрахунки з різноманітними середовищами на різні умови теплообміну, навчитися аналізувати одержану сукупність результатів з різними типами теплообмінників.
Методичні вказівки. Програма CAS виконує розрахунки теплообмінників з номенклатури пластинчастих апаратів різних типів виробництва фірми «Альфа Лаваль». У процесі розрахунків можна одержати декілька варіантів розбірних, паяних або зварних апаратів. Вибір того або іншого варіанту залежить від заданих умов експлуатації та досвідчення проектанта.
Порядок виконання роботи
1. Для вказаного викладачем варіанту завдання провести розрахунки теплообмінних апаратів.
2. Проаналізувати одержані результати і серед варіантів вибрати найбільш раціональний. Обґрунтувати цей вибір.
3. Обґрунтуйте зроблений вибір типів пластин та прокладок.
Зміст звіту
1. Листінги розрахунків теплообмінних апаратів.
2. Аналіз одержаних результатів по кожному пункту завдання.
Контрольні запитання
1. Які Ви знаєте типи матеріалу прокладок, що застосовуються у пластинчастих теплообмінниках?
2. На які рідини та температури можна використовувати різни типи прокладок?
3. На який тиск та температуру розраховані розбірні пластинчасті теплообмінники?
4. Яка величина при розрахунках посередньо відповідає за вірогідність забруднення площини пластини?
5. Який матеріал пластин використовується для роботи з різними середовищами і від чого залежить товщина пластин?
Завдання для проведення розрахунків пластинчастих
теплообмінних апаратів
1. Охолодження олії водою
| Теплове навантаження, КВт | Q = 82,46 | |
| Потік | Гарячий | Холодний |
| Середовище | Оливкова олія | Вода |
| Витрати, м3/год | G1 з балансу | G2 з балансу |
| Температура на вході, °С | T1 = 50 | T3 = 25 |
| Температура на виході, °С | T2 = 27 | T4 = 30 |
| Допустимі втрати тиску у теплообміннику, КПа | DP1 = 150 | DP2 = 100 |
2. Холодильник спирту
| Теплове навантаження, КВт | Q з балансу | |
| Потік | Гарячий | Холодний |
| Середовище | Спирт, 40 % | Вода |
| Витрати, м3/год | G1 = 1,5 | G2 з балансу |
| Температура на вході, °С | T1 = 100 | T3 = 16 |
| Температура на виході, °С | T2 = 20 | T4 = 44,6 |
| Допустимі втрати тиску у теплообміннику, КПа | DP1 = 30 | DP2 = 30 |
3. Охолодження олії розсолом СаСl2
| Теплове навантаження, КВт | Q = 82,46 | |
| Потік | Гарячий | Холодний |
| Середовище | Оливкова олія | Розсіл СаСl2, 23 % |
| Витрати, м3/год | G1 з балансу | G2 з балансу |
| Температура на вході, °С | T1 = 50 | T3 = –7 |
| Температура на виході, °С | T2 = 27 | T4 = 40 |
| Допустимі втрати тиску у теплообміннику, КПа | DP1 = 100 | DP2 = 100 |
4. Охолодження 98 % сірчаної кислоти водою
| Теплове навантаження, КВт | Q = 8770 | |
| Потік | Гарячий | Холодний |
| Середовище | H2SO4 98 % | Вода |
| Витрати, м3/час | G1 з балансу | G2 = 680 |
| Температура на вході, °С | T1 = 88 | T3 = 28 |
| Температура на виході, °С | T2 = 65 | T4 з балансу |
| Допустимі втрати тиску у теплообміннику, КПа | DP1 = 50 | DP2 = 50 |
5. Масляний рекуператор
| Теплове навантаження, КВт | Q з балансу | |
| Потік | Гарячий | Холодний |
| Середовище | ТР 46 | Вода |
| Витрати, кг/с | G1 = 5,7 | G2 = 1,2 |
| Температура на вході, °С | T1 = 90 | T3 = 15 |
| Температура на виході, °С | T2 з балансу | T4 = 70 |
| Допустимі втрати тиску у теплообміннику, КПа | DP1 = 50 | DP2 = 50 |
6. Проміжний теплообмінник вода-етанол
| Теплове навантаження, КВт | Q = 130 | |
| Потік | Гарячий | Холодний |
| Середовище | Вода | Етанол 40 % |
| Витрати, кг/с | G1 з балансу | G2 з балансу |
| Температура на вході, °С | T1 = 18 | T3 = 5,9 |
| Температура на виході, °С | T2 = 13 | T4 = 10 |
| Допустимі втрати тиску у теплообміннику, КПа | DP1 = 30 | DP2 = 30 |
7. Нагрів пропіленгликолю
| Теплове навантаження, КВт | Q = 130 | ||
| Потік | Гарячий | Холодний | |
| Середовище | Вода | Пропіленгликоль 25 % | |
| Витрати, м3/год | G1 з балансу | G2 з балансу | |
| Температура на вході, °С | T1 = 28 | T3 = 0 | |
| Температура на виході, °С | T2 = 4 | T4 = 5 | |
| Допустимі втрати тиску у теплообміннику, КПа | DP1 = 5 | DP2 = 5 | |
8. Нагрів патоки
| Теплове навантаження, КВт | Q з балансу | |
| Потік | Гарячий | Холодний |
| Середовище | Вода | Патока, 60 % |
| Витрати, кг/год | G1 з балансу | G2 = 12400 |
| Температура на вході, °С | T1 = 98 | T3 = 50 |
| Температура на виході, °С | T2 = 55 | T4 = 85 |
| Допустимі втрати тиску у теплообміннику, КПа | DP1 = 30 | DP2 = 30 |
9. Нагрів цукрового соку
| Теплове навантаження, КВт | Q з балансу | |
| Потік | Гарячий | Холодний |
| Середовище | Конденсат | Цукровий сік |
| Витрати, кг/год | G1 з балансу | G2 = 300000 |
| Температура на вході, °С | T1 = 112 | T3 = 88 |
| Температура на виході, °С | T2 = 92 | T4 = 92,5 |
| Допустимі втрати тиску у теплообміннику, КПа | DP1 = 60 | DP2 = 80 |
10. Холодильник спирту
| Теплове навантаження, КВт | Q = 119 | |
| Потік | Гарячий | Холодний |
| Середовище | Спирт, 90 % | Вода |
| Витрати, м3/год | G1 з балансу | G2 з балансу |
| Температура на вході, °С | T1 = 100 | T3 = 20 |
| Температура на виході, °С | T2 = 25 | T4 = 44,6 |
| Допустимі втрати тиску у теплообміннику, КПа | DP1 = 10 | DP2 = 10 |
11. Холодильник спирту
| Теплове навантаження, КВт | Q з балансу | |
| Потік | Гарячий | Холодний |
| Середовище | Спирт 50 % | Вода |
| Витрати, кг/год | G1 = 848 | G2 = 4361 |
| Температура на вході, °С | T1 = 100 | T3 = 20 |
| Температура на виході, °С | T2 = 25 | T4 з балансу |
| Допустимі втрати тиску у теплообміннику, КПа | DP1 = 20 | DP2 = 50 |
12. Нагрів 30 % фосфорної кислоти
| Теплове навантаження, КВт | Q = з балансу | |
| Потік | Гарячий | Холодний |
| Середовище | Вода | Фосфорна к-та 30 % |
| Витрати, кг/год | G1 з балансу | G2 = 50000 |
| Температура на вході, °С | T1 = 50 | T3 = 20 |
| Температура на виході, °С | T2 = 37 | T4 = 40 |
| Допустимі втрати тиску у теплообміннику, КПа | DP1 = 50 | DP2 = 50 |
13. Нагрів 54 % фосфорної кислоти 30 % фосфорною кислотою
| Теплове навантаження, КВт | Q з балансу | |
| Потік | Гарячий | Холодний |
| Середовище | Фосфорна к-та 30 % | Фосфорна к-та 54 % |
| Витрати, кг/год | G1 = 60000 | G2 = 40000 |
| Температура на вході, °С | T1 = 85 | T3 = 20 |
| Температура на виході, °С | T2 = 55 | T4 з балансу |
| Допустимі втрати тиску у теплообміннику, КПа | DP1 = 50 | DP2 = 50 |
14. Нагрів соняшникової олії
| Теплове навантаження, КВт | Q з балансу | |
| Потік | Гарячий | Холодний |
| Середовище | Вода | Соняшникова олія |
| Витрати, кг/год | G1 з балансу | G2 = 20000 |
| Температура на вході, °С | T1 = 70 | T3 = 18 |
| Температура на виході, °С | T2 = 30 | T4 = 45 |
| Допустимі втрати тиску у теплообміннику, КПа | DP1 = 40 | DP2 = 40 |
15. Нагрів 54 % фосфорної кислоти водою
| Теплове навантаження, КВт | Q з балансу | |
| Потік | Гарячий | Холодний |
| Середовище | Вода | Фосфорна к-та 54 % |
| Витрати, кг/год | G1 = 40000 | G2 = 50000 |
| Температура на вході, °С | T1 = 85 | T3 = 25 |
| Температура на виході, °С | T2 = 55 | T4 з балансу |
| Допустимі втрати тиску у теплообміннику, КПа | DP1 = 50 | DP2 = 50 |
16. Охолодження 98 % сірчаної кислоти водою
| Теплове навантаження, КВт | Q з балансу | |
| Потік | Гарячий | Холодний |
| Середовище | H2SO4 98% | Вода |
| Витрати, м3/час | G1 = 50 | G2 = 68 |
| Температура на вході, °С | T1 = 80 | T3 = 28 |
| Температура на виході, °С | T2 = 55 | T4 з балансу |
| Допустимі втрати тиску у теплообміннику, КПа | DP1 = 50 | DP2 = 50 |
17. Маслоохолоджувач
| Теплове навантаження, КВт | Q з балансу | |
| Потік | Гарячий | Холодний |
| Середовище | Масло SAE 30 | Вода |
| Витрати, л/с | G1 = 4,2 | G2 = 2,2 |
| Температура на вході, °С | T1 = 90 | T3 = 15 |
| Температура на виході, °С | T2 = 50 | T4 з балансу |
| Допустимі втрати тиску у теплообміннику, КПа | DP1 = 20 | DP2 = 20 |
18. Теплообмінник вода-етанол
| Теплове навантаження, КВт | Q = 430 | |
| Потік | Гарячий | Холодний |
| Середовище | Вода | Етанол 55 % |
| Витрати, л/с | G1 з балансу | G2 з балансу |
| Температура на вході, °С | T1 = 55 | T3 = 18 |
| Температура на виході, °С | T2 = 24 | T4 = 42 |
| Допустимі втрати тиску у теплообміннику, КПа | DP1 = 30 | DP2 = 30 |
19. Холодильник спирту
| Теплове навантаження, КВт | Q з балансу | |
| Потік | Гарячий | Холодний |
| Середовище | Спирт 50% | Вода |
| Витрати, кг/год | G1 = 3900 | G2 = 5000 |
| Температура на вході, °С | T1 = 100 | T3 = 20 |
| Температура на виході, °С | T2 = 55 | T4 з балансу |
| Допустимі втрати тиску у теплообміннику, КПа | DP1 = 20 | DP2 = 20 |
20. Нагрів 30 % фосфорної кислоти
| Теплове навантаження, КВт | Q з балансу | |
| Потік | Гарячий | Холодний |
| Середовище | Вода | Фосфорна к-та 30 % |
| Витрати, кг/год | G1 = 30000 | G2 = 50000 |
| Температура на вході, °С | T1 = 52 | T3 = 20 |
| Температура на виході, °С | T2 з балансу | T4 = 40 |
| Допустимі втрати тиску у теплообміннику, КПа | DP1 = 45 | DP2 = 45 |
21. Охолодження масла водою
| Теплове навантаження, КВт | Q з балансу | |
| Потік | Гарячий | Холодний |
| Середовище | Масло марин | Вода |
| Витрати, м3/год | G1 = 9 | G2 = 16 |
| Температура на вході, °С | T1 = 94 | T3 = 25 |
| Температура на виході, °С | T2 = 42 | T4 з балансу |
| Допустимі втрати тиску у теплообміннику, КПа | DP1 = 150 | DP2 = 100 |
Лабораторна робота 3 Робота у програмі CAS 200 по проектуванню пластинчастих теплообмінників з фазовим переходом (конденсація пари) у каналах
Мета роботи. Метою даної роботи є оволодіння навиками роботи у пакеті програм CAS 200 по проектуванню парових пластинчастих теплообмінників фірми «Альфа Лаваль» з фазовим переходом в процесі теплообміну (конденсаторів або підігрівачів). Фазовий перехід здійснюється при конденсації парової фази, яка, у свою чергу, підігріває рідину у каналах пластинчастого апарату.
Методичні вказівки. Програма CAS виконує розрахунки парових теплообмінників і парових кип’ятильників (випарників) з номенклатури пластинчастих апаратів різних типів виробництва фірми «Альфа Лаваль». Для розрахунків теплообмінних апаратів з двофазовими теплоносіями необхідно вибрати опцію «Distr PHE 2-phase» (рис. 6).
Рисунок 6 – Вікно для розрахунків теплообміннику з двофазними
теплоносіями
Парові теплообмінники підрозділяються на два різних типа парових апаратів: парові конденсатори і парові підігрівачі. Парові конденсатори призначені для повної або часткової конденсації необхідної кількості пари. Парові підігрівачі здійснюють підігрів необхідної кількості теплоносія до заданої температури.
Необхідні вхідні дані для розрахунку парового підігрівача:
Ø вхідна температура або тиск пари (достатньо лише одного з вказаних параметрів, тому що у стані насичення визначеному тиску відповідає конкретна температура);
Ø вхідна і вихідна температури середовища, що нагрівається;
Ø потужність або втрати рідини, що підігрівається (достатньо лише одного з вказаних параметрів, другий визначається згідно з рівнянням теплового балансу);
Ø втрати тиску по стороні гарячого та холодного теплоносіїв.
Порядок вводу даних для виконання розрахунків такий:
Ø у вікно (1), рис. 6, необхідно ввести температуру пари на вході у теплообмінник (або у вікно (2) тиск пари на вході у теплообмінник);
Ø у лівому вікні (4) вводиться наперед установлене значення паровмісту на вході у теплообмінник, яке для насиченої пари дорівнює 1. При розрахунках теплообмінника, що працює на вологий парі необхідно задати величину паровмісту у ліве вікно (4);
Ø у праве вікно (4) необхідно ввести значення паровмісту на виході з теплообмінника. У загальному випадку величина паровмісту на виході з теплообмінника дорівнює 0 (повна конденсація). Якщо необхідно здійснити часткову конденсацію, то у праве вікно (4) вноситься значення більше 0, але менше 1;
Ø вікна (5)–(8) заповнюються аналогічно розрахункам теплообмінників з теплоносіями рідина-рідина, тобто (5) – потужність; (6) – вхідна температура теплоносія, що підігрівається; (7) – вихідна температура теплоносія, що підігрівається; (8) – витрата теплоносія по холодній стороні;
Ø (9) – перемикач режимів розрахунку насиченої та перегрітої пари;
Ø величина запасу поверхні «Margin» задається рівною 0. У режимі двофазних розрахунків ця величина відображає рівень конденсату в теплообміннику і не відображає реальний запас поверхні.
Програмні попередження та діагностика:
1. «High velocity in connection! (100) > 50. Try Double Inlet, more units in parallel or PHE with bigger connections» – «Перевищення припустимої швидкості пари у приєднанні 100 м/с > 50 м/с, встановіть два входи, більше апаратів у паралель або оберіть апарат більшого типорозміру».
Це попередження потребує перерахунку теплообмінника тому, що перевищення швидкостей у теплообміннику не припустиме. Для виправлення такого становища можна застосувати декілька методів, головна ціль яких – збільшення прохідного перерізу теплообміннику по стороні пари:
Ø відкрити додатковий вхідний патрубок на притискній плиті (зниження швидкості пари вдвічі);
Ø встановити декілька теплообмінників у паралель (використовується, коли попередній метод не забезпечує необхідної швидкості);
Ø перейти до більшого типорозміру теплообмінника з більшим перерізом вхідного патрубку.
Іноді припускається перевищення швидкості в апараті не більше, ніж на 1–2 м/с.
2. «High velocity in neck (120) > 40. Add plates to get velocity down or try other PHE type» – «Перевищення припустимої швидкості пари у розподільній частині пластини 120 м/с > 40 м/с, додайте пластин, або оберіть апарат більшого типорозміру».
Щоб уникнути появи цього застереження треба додати пластини, що приведе до збільшення сумарного прохідного перерізу пари через теплообмінник. Для цього необхідно перевести роботу програми з режиму «Design» у режим «Rating», після чого увійти у вікно компоновки (кнопка «Grouping»), де додати необхідну кількість пластин. Зауважимо, що додавати треба рівну кількість пластин по холодній та гарячій стороні. Іноді припускається перевищення швидкості в апараті не більше, ніж на 1–2 м/с.
При проектуванні необхідно, щоб по холодній стороні завжди було на одну пластину більше, ніж по гарячій стороні. Це забезпечує наявність низьких температур з боку притискної та опорної плит.
Програма CAS 200 виконує необхідні розрахунки тільки для зони конденсації пари і не враховує охолодження конденсату у теплообміннику. При цьому у вікні «Margin» після розрахунків надається число, яке відображає збільшення поверхні, що необхідна для конденсації. Саме ця додаткова поверхня виконує функцію з охолодження конденсату, тобто
Margin = (Fsubcool/ Fcond)·100 %,
де Fcond – поверхня конденсації; Fsubcool – поверхня охолодження конденсату.
Для стабільної і надійної роботи парового теплообмінника іноді рекомендують утримувати величину Margin не більше 100 %. Це означає, що конденсат у процесі роботи заповнює половину площі пластини (або об’єму каналу). Якщо величина Margin буде збільшуватися (поверхня конденсації зменшується, а поверхня охолодження збільшується), то при перехідних режимах може виникати «схлопування» зони конденсації і, як наслідок, гідравлічний удар.
Головний метод зниження величини «Margin» – організація байпасування по холодній стороні, яке дозволяє пропустити по ній меншу частину холодного теплоносія і таким чином збільшити поверхню конденсації при зменшенні поверхні охолодження.
Приклад проектування парового підігрівача за допомогою програми CAS 200
Необхідно запроектувати паровий підігрівач води теплової мережі з вхідними даними, заданими у табл.6.
Таблиця 6 – Вхідні дані для розрахунків парового підігрівача
| Вхідна температура пари | 132,9 °С |
| Вихідна температура конденсату | 80 °С |
| Вхідна температура води | 70 °С |
| Вихідна температура води | 110 °С |
| Витрати води | 125 т/год |
| Втрати тиску по стороні пари | 50 кПа |
| Втрати тиску по стороні води | 50 кПа |
Для здійснення розрахунків треба ввести дані згідно з порядком їх введення, приведеним раніше. Після вводу даних необхідно натиснути кнопку «Design», після чого будуть проведені розрахунки, основні результати яких, а також попередження, з’являться на екрані (рис. 7, 8).
Рисунок 7 – Розрахунки
Попередження після розрахунків містить діагностику про перевищення швидкостей у патрубках теплообміннику та розподільній частині його пластин. У першу чергу, необхідно знизити швидкість пари у патрубках. Для цього недостатньо відкрити додатковий порт на стороні притискної плити (рис. 9), тому що швидкість упаде вдвічі до величини 99,3 м/с, що також перевищує припустиме значення швидкості пари у патрубках для апарату М10М.
Рисунок 8 – Попередження
Рисунок 9 – Завдання додаткового патрубку для пари
Рисунок 10 – Вибір типу теплообмінника
|
Тому необхідно перейти до більшого типорозміру апарату –М15М для початку без додаткового патрубку на притискній плиті. Для цього треба встановити тип нового теплообмінника, рис. 10.
Після виконання розрахунків вибраного типу теплообмінника, було отримано діагностику, що у розподільній частині пластин швидкість перевищує гранично припустиму, рис. 11.
Рисунок 11 – Попередження про перевищення швидкості у розподільній частині пластин
Для того щоб знизити швидкість до припустимої величини, необхідно перейти до режиму «Rating» і далі натиснути кнопку «Grouping». Після появлення вікна (рис. 12) треба задати додаткову кількість пластин. Кількість пластин по холодній стороні повинна бути на одиницю більша, ніж по гарячий.
Рисунок 12 – Завдання додаткових пластин у теплообміннику
В результаті проектування (рис. 13) ми одержали для встановлення до роботи теплообмінник марки М15М з 60 пластинами загальною площею теплопередачі 37,2 м2 і значенням «Margin» – 77,2 %. Витрата пари дорівнює 9439 кг/год.
Рисунок 13 – Результат обчислень з новою кількістю пластин в апараті
Тепер необхідно визначити реальну температуру конденсату на виході з теплообмінника. Для цього треба натиснути кнопку «More» на правому боці екрану для відкриття вікна з додатковими результатами розрахунків, рис. 14.
Рисунок 14 – Додаткові результати розрахунків
Температура конденсату в момент, коли пара повністю сконденсувалась, дорівнює 118,9°С. Підрахуємо запас коефіцієнтту теплопередачі «Margin» = (100/77,2)´100 % = 129,5 %. Далі змінимо режим роботи теплообмінника «Condensing» на режим «Liquid cooling», та теплоносій «Steam/Water» на «Water». Встановимо температуру конденсату (рис. 15) рівною 118,9 °С (це температура конденсату на вході у зону доохолодження) і надану температуру конденсату на виході 80°С. Після цього проведемо розрахунки (рис. 16).
Рисунок 15 – Завдання вхідних даних для розрахунку теплообмінника у режимі «Liquid cooling»
В результаті одержимо «Margin» 133 %, що перевищує попередньо розраховану величину 129,5 %. Таким чином, температура конденсату на виході з теплообмінника буде трохи менше ніж 80°С. Для виправлення цієї ситуації введемо нове значення температури конденсату на виході з теплообмінника – 79°С і повторимо обчислення. В результаті одержимо дані, що надані на рис. 17.
Рисунок 16 – Розрахунок теплообмінника у режимі «Liquid cooling»
Рисунок 17 – Остаточні розрахунки теплообмінника у режимі
«Liquid cooling» для визначення дійсної температури конденсату
на виході з теплообмінника
Нове значення коефіцієнта «Margin» дорівнює 119 %, що менше за величину 129,5 % не більше, ніж на 15 %. Розрахунки можуть бути закінчені і дійсна температура конденсату на виході з теплообмінника дорівнює 79°С.
Порядок виконання роботи
1. Для вказаного викладачем варіанту завдання з табл. 7 здійснити вибір пластинчастого апарату фірми «Альфа Лаваль» для підігріву води. При цьому прийняти, що втрати тиску по холодній та гарячій стороні не повинні перевищувати 50 кПа.
2. Для знайденого теплообмінного апарату визначити дійсне значення температури конденсату на виході, якщо проектна величина цієї температури 80°С.
3. Проаналізувати одержані результати, пояснити значення попереджень та діагностики у процесі обчислення, оцінити якість обчислення.
Таблиця 7 – Дані до проектування пластинчастого парового підігрівача
| Номер варіанту | Потуж- ність, кВт | Температура пари, °С | Температура води, °С | Витрати води, т/год | |
| Вхідна | Вихідна | ||||
Зміст звіту
1. Листінг розрахунків теплообмінного апарату і температури конденсату.
2. Аналіз одержаних результатів.
Контрольні запитання
1. Чим відрізняються розрахунки парових підігрівачів від парових конденсаторів?
2. Який вміст має параметр «Margin» при розрахунку парового конденсатора?
3. Які засоби зниження швидкості пари у патрубках теплообмінника при проектуванні?
4. Які засоби зниження швидкості у розподільній частині пластин теплообмінника при проектуванні?
5. Чому по стороні пари завжди проектується одноходовий теплообмінник? Чому заборонено застосування змішаної компоновки апаратів з конденсацією пари у каналах?