termo - fakulta stavební vut v brně · 2013-11-25 · tento projekt je spolufinancován...

Středoevropské centrum pro vytváření a realizaci inovovaných technicko‐ekonomických studijních programůRegistrační číslo CZ.1.07/2.2.00/28.0301Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.


Termo

VUT, FAST, BrnoVUT, FAST, Brnoúústav Technických zastav Technických zařříízenzeníí budovbudov

GG

Středoevropské centrum pro vytváření a realizaciinovovaných technicko-ekonomických studijních programů

Registrační číslo: CZ.1.07/2.2.00/28.0301



Výměníky teplaI. ÚvodII. Návrh, kritéria, hodnoceníIII. Negativní vlivyIV. ZávěrV. PříkladyVI. Literatura

2

CT07 Termomechanika



CT07 - Termomechanika

Organismy

ÚT Budova

VZT

PTV

Chlazení

Solár

Technol

3. r. - ZT - PTV- UT - otopná tělesa, kotle, předávací

stanice, …4. r. - VZT I - ohřívače, chladiče, fancoily,

výměníky ZZT…..- Ochlazování budov - kondensátory,

výparníky….6. r. - UT II – podzemní a solární kolektory,

velkoplošné vytápění, TČ…. - VZT II - VZT výměníky, chladiče,

sušení, tepelné trubice…. - Teorie prostředí - lidské tělo

I. Úvod Výměníky tvoří v technice prostředí fyzické objekty umožňujícívýměnu tepla a přeměnu formy energie často

s doprovodným jevem – přenosem látky

Obory a objekty

výměníkův TZB.

Výchozí poznatky studia TZB na FAST


Klasifikace výměníků teplaa) Způsob přenosu tepla1. Výměníky přímé

kontaktní chladicí věžesměšovací (vstřikování kondenzátu do páry)

2. Výměníky nepřímérekuperační (povrchové)regenerační

3. Výměníky zvláštní (elektrické ohřívače)

I. Úvod - pokračování

4

CT07 Termomechanika


c) Změna skupenství1. ohřívače, chladiče2. kondenzátory, výparníky

d) Pracovní tlak1. tlakové2. beztlakové (atmosférické)3. podtlakové

e) Konstrukčního uspořádání1. stojaté2. ležaté3. šikmé

5

I. Úvod - pokračováníCT07 Termomechanika


f) Provedení konstrukce ploch výměny tepla

1. Výměníky trubkové2. Výměníky deskové

Požadavky na výměníky

nejmenší rozměry, hmotnost, cenanejmenší tlakové ztráty (čerpací práce)nejvyšší spolehlivost v provozunejvyšší účinnost přenosu teplapožadovaný tepelný výkon

6



Tab. 1 Základní charakteristiky výměníků používaných v technické praxi

7



Obr. 1 Teplotní oblasti použití pracovních tekutin ve výměníku

8



Obr. 2 Optimální pracovní oblasti pro různé typy deskových a trubkových výměníků

9



Problematika návrhu výměníkůII. Návrh, kritéria, hodnocení

10

- velikost (teplosněnná plocha) pro specifikované teplonosné látky,- veličiny teplonosných látek odpovídajících danému výměníku.Zásadní úlohy

- tepelné a hmotnostní bilance vycházející ze sdílení tepla a látky,- proudění tekutin sledující hydraulické poměry a tlakové ztráty,- pevnostní problematika,- ekonomie,- optimalizace.

Fáze řešení

- nestacionární fyzikální děje spojené s přenosem tepla event. látek, - geometrie výměníků při provozu v TZB konstantní.Charakteristika

- široké spektrum od triviálních po exaktníMetody

- tepelný výkon, střední teploty, přenosové a průtokové kritérium,účinnost, exergie, anergie, atd.Základní veličiny

CT07 Termomechanika


Tepelná problematika výměníku

11

b. Předpoklady řešení – jednorozměrný problém, konstantní fyzikální vlastnosti.

c. Primární veličiny: S, r, m, c, ws, ts, tp (střední hodnoty rychlosti a teploty, teplota povrchu), atd. – blíže obr. 3.

x

y

dS

dm

ws tos

tp

r, S

α

ρ, cp

Obr. 3 Schéma fyzikálního modelu

a. Podstata řešení

Vyčíslení tepelných výměn probíhajících mezi dvěma prostředími tvořených tekutinami. Zásadní veličinou tepelného toku je rozdíl teplot.

II. Návrh, kritéria, hodnocení - pokračováníCT07 Termomechanika



( )ptttcm −= ... αΔ ( )xmmxmxmx TTSQ −= 2..α

d. Složky bilancíTepelné toky lze vyjádřit primárními formulemi přenosu teplaplatí

e. Tepelně látková (hmotnostní) bilance

( )pso

sop ttdtcm −=− ... α ρ.. swSm =

po úpravách a zavedení rozdílu teplot platí

ps

s

s

cwSdSd

....ρ

αθθ

=

ps

s tt −=θ


α = f(Re, Fo, Pr, Gr, ...)

Středoevropské centrum pro vytváření a realizaci inovovaných technicko‐ekonomických studijních programůRegistrační číslo CZ.1.07/2.2.00/28.0301Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. 13

t2´

t

t1´

ΔtΔt

dt1

dt2

t2“

t1“Δt“

x dx

mt

mchdQ

dQ

cccttt dtcmdtcmdQ ... =−=

2

1

21

lntt

ttt

ΔΔΔΔΔ −

=

f. Rozdíl středních teplot

- elementární tepelný tok

- pro tekutiny 1 a 2 vyplývápo úpravách a souproudé prouděnípro rozdíl středních teplot


Obr. 4 Schéma teplotních poměrů pro souproud


0,1 0,2 0,3

0,1

Δt“/Δt´= 0÷1

ΔtΔt´

Δt“/Δt´0 0,5 0,6 0,70,4 0,9 10,80,02 0,060,04 0,10,08

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

g. Grafická interpretacestředního rozdílu teplot:

A. Střední aritmetický rozdílB. Střední logaritmický rozdíl

Δt´- větší teplotní rozdíl Δt“ - menší teplotní rozdíl

pro Δt“/Δt´= 0,5 je odchylka menší než 4 %


Obr. 5 Schéma rozdílu teplot

Δt“/Δt´= 0÷0,1


Tepelný výpočet výměníku lze provést celou řadou metod a algoritmů. Základnímetody tvoří:

1. ε - NTU* metoda2. P - NTU* metoda3. MTD** metoda

*NTU - Number of Transfer Units (počet přenosových jednotek)**MTD - Mean Transfer Difference (střední teplotní rozdíl)

ε - účinnost výměníku (-)P - tepelný výkon výměníku (W)

U všech metod jsou idealizovány materiálové vlastnosti. Předpokládá se, že měrnátepelná kapacita je konstantní. Pokud je funkcí teploty, určí se u dané tekutiny středníteplota, pro kterou se určí hodnota měrné tepelné kapacity. Stejný postup je nutnéaplikovat i pro jiné fyzikální vlastnosti tzn. hustotu, tepelnou vodivost apod.

Metody tepelného výpočtu výměníků

15




MTD metoda středního teplotního rozdílu

hmotnostní průtoky obou tekutin m1, m2

vstupní teploty obou tekutin t´1, t´

2

výstupní teploty jedné tekutiny t´´1, t´´

2 nebo převedený tepelný tok Qtlakové ztráty na stranách obou tekutin Δp1, Δp2 při obtékání teplosměnnéhopovrchu A hodnoty průtokových tepelných kapacit Ċ (Ẁ… vodní hodnota) nebo takétepelná kapacita průtokuĊ1 = cp1. m1; Ċ2 = cp2. m2 [J/K]

Základní veličiny tepelně hmotnostních výměn


Zvýšení účinnosti tepelné výměny1. Prodloužením délky trubky l (zvětší se teplosměnná plocha)2. Zvětšením průměru trubky d1 a d2 (dosáhne se zvětšení plochy)3. Snížením tloušťky stěny trubky4. Použitím materiál s co nejlepší tepelnou vodivostí λ5. Uplatněním co nejvyššího teplotního rozdílu ∆T6. Zvětšením vnější plochy vnitřní trubky žebrováním, trny apod.7. Zapojením do série většího počtu výměníků

17



Tab. 2 Součinitelé přestupu tepla

18



Tab. 3 Součinitel prostupu tepla

19



Změněné podmínky provozu výměníkuPokud výměník pracuje v jiných podmínkách než v těch, pro které byl navržen jenutná korekce výkonových veličin. Podstatné je stanovení vlivu změny určujících veličin teplonosných látek, především jejich počátečních teplot t a průtoků m .Výchozí je podobnost teplotních polí – analogie platí, pokud je zachován charakter proudění tekutin ve výměníku a stálé hodnoty veličin A, B a C.

Rovnice teplotních polí tekutin proudících výměníkemDiferenciální rovnice teplotních polí tekutin proudících výměníkem mají tvar

20



Bezrozměrné veličiny A a B jsou přenosové jednotky tepla případně tepelnécharakteristiky výměníku, veličina C je jeho průtoková charakteristika. V technické literatuře jsou někdy označované jako NTU (Number of Heat Transfer Units), X = Sx/S, přičemž Sx = S.X a dSx = S.dX



1. Účinnost výměníku

Čtyři vstupní/výstupní teploty obou toků jsou se skutečným výkonem výměníku vázané integrální tepelnou bilancí podle vztahu

22

Poměr skutečného výkonu výměníku a maximálního výkonu výměníku představujeúčinnost výměníku, která je dána vztahem



Výkon výměníkuVýkon výměníku Q lze vyjádřit jako funkci provozní charakteristiky Φ, podle daných teplot tekutin t a tepelných kapacit toku Ċ1 a Ċ2 i pomocí dalších rovnic, které se dají odvodit úpravami rovnic tepelné bilance a přenosové účinnosti η .

kde C představuje v těchto vztazích průtokové kritérium

23



Po formální stránce je vidět určitou afinitu mezi vlastním výkonem výměníku Φ.Ċ1 a součinem k.S.

Kvalitu výměníků z tepelně technického hlediska je nutné tedy porovnávat podle jejich vlastních výkonů součinem Φ.Ċ a výše nákladů na dosažení těchto výkonů podle hodnot součinu k.S.

Součin k.S představuje celkové náklady, neboť investiční náklady jsou úměrné přenosové ploše S a provozní náklady jsou úměrnésoučiniteli prostupu tepla k. Posuzování výměníků podle výše uvedených vztahů ale dává různé výsledky, neboť závislost Φ na přenosové jednotce A není lineární.

24



Provozní charakteristikaProvozní charakteristika Φ výměníku závisí jednak na jeho průtokovém uspořádání, jednak na veličinách obsahujících přenosovou plochu S a podmínky provozu danéhodnotami k, Ċ1 a Ċ2. Pomocí zavedených substitucí

kde A, B – přenosové kritérium, C - průtokové kritérium

(0 ≤ C ≤ 1) pro každé průtokové uspořádání možné sestavit funkci tvaru

25



Přenosová charakteristikaPřenosová charakteristika (účinnost) výměníku je definovaná vztahem

je v podstatě totožná s jeho provozní charakteristikou (0 ≤ η ≈ Φ ≤ 1).

Přenosová charakteristika výměníku η a provozní charakteristika výměníku Φ jsou definované stejně, jak rozdílem teplot tak průtokovou tepelnou kapacitou tekutin 1 a 2. Rozdíl mezi nimi spočívá pouze v tom, že při jinak stejných podmínkách se hodnoty Φpři všech ostatních průtokových uspořádáních nacházejí mezi hodnotami Φ pro SP a PP. Chápeme to tak, že každý výměník se skládá z prvků, které fungují jako souproudéa protiproudé výměníky různé velikosti.

26



Termická účinnostυ1 = δt(v)/Δt´

(v) = Δt1/Δt´ = Q/(C(m).Δt´(v)) [-]

kde δt(v) , Δt1 změna teploty tekutiny 1nebo 2 při průtoku výměníkem [K]Δt´

(υ),Δt´ rozdíl vstupních nebo výstupních teplot tekutin [K]Q přenášený tepelný výkon výměníku [W]

obecná závislostυ1 = f [A nebo B, C, (Q – QS )/(QP – QS )]

kde

Q tepelný výkon sledovaného výměníkuQS, QP tepelný výkon souproudého, protiproudého výměníkuA, B přenosové kritériumC průtokové kritérium

27



III. Negativní vlivy

Při vlastním provozu výměníku v něm dochází k celé řadě negativních vlivů, které vedou ke zmenšení množství přenášeného tepla/chladu nebo k degradaci materiálu. Mezi tyto vlivy bezpochyby patří:- zanášení, - koroze, - vibrace, - dilatace, - netěsnost,- ostatní vlivy.

Mnoho těchto vlivů působí společně nebo jeden vliv doprovázídruhý a naopak.

28

CT07 Termomechanika


Obr. 6 Kritická místa zanášení trubkového výměníku

29

III. Negativní vlivy - pokračováníCT07 Termomechanika


Tab. 4 Hodnoty odporu usazenin Rf u různých tekutin

30



Tab. 5 Náchylnost pracovních látek k zanášeníIII. Negativní vlivy - pokračováníCT07 Termomechanika


Druhy usazenin – technické parametry

a) olej (kompresory)

du = 0,05 až 0,1 mmλu = 0,14 W/m K → Ru= (0,36 až 0,71).10-3 m2 K/W

doporučená hodnota Ru≈ 0,6.10-3 m2 K/Wsoučinitel λu je značně ovlivněn

b) rezvzniká na vodní nebo solankové straně ocelových deskových ploch

Ru = 0,1.10-3 m2K/Wλu = 0,035 až 0,07 W/mK

32



c) námrazaOtázka námrazy tloušťky dh, struktury tj. hustoty ρh, tepelné vodivosti λu v závislosti na vlhkosti vzduchu, teplotě t a čase τ je velice složitá a nenídosud exaktním způsobem zvládnuta.Obecně se doporučuje přepokládat rovnoměrné rozložení námrazy na a po celé teplosměnné ploše A a hustotu námrazy ρh v závislosti na doběnamrzání τ [min] brát při libovolné teplotě t [°C].

hustota námrazy ρh = 39,42.τ 0,4252 [ kg/h]

součinitel tepelné vodivostiλu = (5,14 + 1,263.ρh ).10-3 [ W/m K]

neboλu = (5,124 + 49,79.τ 0,4252 ).10-3 [ W/m K]

jinovatka: λu = 0,20 W/m K, ρ = 300 kg/m3



d) usazeniny z vodyve vodě dochází při ohřevu k rozpadu karbonátovétvrdosti (vápenaté Ca (HCO3) a hořečnaté Mg (HCO3)) hydrokarbonáty, tkr = 60 °Csilné nánosy – teplosměnné plochy ocel tř. 11 (koroze)menší nánosy – teplosměnné plochy ocel tř. 17, měď, ušlechtilé slitiny

nutný rozbor vody → určení způsobu ochrany teplosměnných ploch, voda měkká (méně než 1 mval/1l = 2,8° něm.), 1° německé tvrdosti ≡ 1,78 g Ca ve 100 l vody, voda tvrdá – dekarbonizace (vápno, H2SO4 atd.)du ≡ 0,5 mm, λ = 1,5 až 2,0 W/m K, R = 0,25 až 0,33.10-3 m2K/W

34



Obr. 7 Detail krystalizační usazeniny na desce výměníku

Obr. 8 Detail mezideskové usazeniny se zřetelným otiskem profilace desky výměníku

35



Obr. 9 Časový průběh zanášení výměníku nečistotami

36



Obr. 10 Vliv lineární rychlosti proudění a turbulence tekutiny u trubkového a deskového výměníku

37



Obr. 11 Schématické zobrazení metody na diagnostikování možných netěsností(otvorů) v deskových výměnících1- sekundární strana deskového výměníku naplněná směsí plynu z tlakové láhve, 2- přenos molekul vodíku do kapaliny přes porušenou dělící stěnu výměníku, 3- primární strana deskového výměníku, 4- cirkulační čerpadlo, 5- snímač

38



IV. ZávěrV případě, že výměníky pracují s provozním přetlakem nad 0,07 MPa (70 kPa) → platí pro ně ČSN 690010 Tlakové nádoby stabilní (volba materiálu, výpočet pevnosti, konstrukce, výstroj, výroba, zkoušení, přejímání a dokumentace) a ČSN 690012 (pokud se týká jejich provozu). Normy ČSN 690010 a ČSN 690012 platí podpůrně k harmonizované normě ČSN-EN 286 do doby jejich oficiálního zrušení.

39

CT07 Termomechanika


Tab. 6 Standardy TEMA trubkových výměníků

40

IV. ZávěrCT07 Termomechanika


Obr. 10 Řez trubkovým výměníkem teplaZákladem každého výměníku tohoto typu (viz trubkový výměník tepla se segmentovými přepážkami) je svazek trubek (1), trubkovnice (2), plášť (3), hrdla mezitrubkového prostoru (4), hrdla a komory trubkových prostorů (5) a přepážkový systém daného typu (6). Vnitřní prostor trubek svazku spolu s přední a zadní komorou nebo s jejich částmi, vytváří trubkový prostor (TP), vnější prostor kolem těchto trubek, ohraničený pláštěm výměníku a trubkovnicemi (nebo s částmi zadních komor), vytvářímezitrubkový prostor (MP).

41

CT07 TermomechanikaIV. Závěr


Obr. 11 Trubkový výměník se šroubovicovým přepážkovým systémem

42



Typické hodnoty deskových výměníkůteplosměnná plocha jednotlivých desek 0,03 až 2,5 m2

max. teplosměnná plocha v rámu 1500 m2

max. pracovní tlak 2,5 MPa/25 baru

max. pracovní teplotatěsnění – syntetická pryžtěsnění – lisované azbest. vlákna

177° C250° C

max. průměr otvorů 400 mmmax. průtok 0,7 m3/stloušťka desek 0,6 až 1 mmmezera v průchodu mezi deskami 1,5 až 5 mmrozteč stlačených desek 2 až 6 mm

43



Hodnotící faktory výměníků


1. Přestupy tepla na teplosměnných plocháchnutné znát vstupní a výstupní teploty obou tekutin, na základě toho určit ΔT a dále hmotnostní průtoky m1, m2

w – pro kapaliny se volí 0,4 až 4 m/s; pro plyny 3 až 20 m/smožnost čištění ( mechanicky nebo chemicky)

2. Požadavek určitých rozměrůzvýšení tepelných toků umělou turbulencímalé kanály, vysoké rychlosti, vhodná konstrukce, hmotnost


3. Cenové požadavkypřímé investiční náklady na výměník (roční odpisy)životnost výměníku (min 15 let)energetické nároky na provozvolba optimální rychlostí proudění látek

4. Požadavky na pevnostdo 1,5 MPa a t = 150 °C pevnosti lze dosáhnout bez problémupři vyšších hodnotách Δp a t je pevnostní výpočet nejdůležitějšíčástí výpočtu ( teorie pružné desky)dbát na různou teplotní roztažnost použitých materiálů a dílů

45



5. Druh materiáluvýběr materiálu z hlediska nebezpečí korozedbát na možnost zpracování materiálu (obrábění, svařování, pájení atd.)

6. Těsnostzákladní požadavek u výměníků (zejména při velkém rozdílu Δp obou tekutin – rozdíl tlaků)pozor na těsnění při čištění výměníku

7. Regulovatelnostrozhodující vliv na kvalitu a ekonomii provozu

46



jsou nejčastěji používané výměníky

1. Výměník kapalina - kapalinanejčastější typy výměníků v této skupině jsou výměníky plášťovéuspořádání trubek v trubkovnici svazku: podle rovnostranných trojúhelníků, uspořádání za sebou, uspořádání vystřídanéznačná délka vnitřních trubek (podepření), 30 až 40 drůzné trubkovnicekapalinové cesty v trubkách jednosměrné (jednochodé), dvou nebo vícesměrové(dvou nebo vícechodé) → limitující faktor tvoří hydraulické odpory, používají se tam, kde součinitelé α1 a α2 se na obou stranách výměníku příliš neliší (max. 2 až3 krát)

47

Výměníky kapalina-kapalina, plyn-plyn, kapalina-plynV. Příklady

CT07 Termomechanika


Požadavky jsou úplně jiné než na výměník kapalina – kapalinaPro stejný tepelný výkon potřebné větší povrchy výměníky jsou navrhovány obvykle jako

výměníky trubkové (předehřev páry u parních generátorů)výměníky deskové (tam, kde jsou značné průtoku plynu při malých tlakových rozdílech na obou stranách teplosměnných ploch)

Obtížné je dosáhnout těsnosti obou stran → tlaky na obou stranách musí být vyrovnané

48

3. Výměník kapalina - plynNejčastěji tvoří ohřívače a chladiče vzduchuPřestupy tepla na straně plynu obvykle o více než 1 řád menší, než na straněkapaliny → žebrování

w < 10 m/s na straně plynu, Δp = 100 až 200 Paw = < 0,5 - 1> m/s na straně kapaliny při proudění v trubkách

( turbulentní proudění)Existuje řada konstrukcí

2. Výměník plyn – plyn V. PříkladyCT07 Termomechanika


V. PříkladyCT07 Termomechanika

Tab. 7 Provozní charakteristiky


1 2

3

4

ČISTÁ PÁRA2,8 bar

5

Obr. 11 Schéma zapojení vyvíječe čisté páry pro systémy centrální sterilizace

50

V. PříkladyCT07 Termomechanika


• SAZIMA M. a kol.: Sdílení tepla. Technický průvodce. SNTL. Praha. 1993• HLAVAČKA V.: Termická účinnost výměníku tepla. Technický průvodce 10. SVÚSS. Praha. 1988• DLOUHÝ T.: Výpočty kotlů a spalinových výměníků. Fakulta strojní. ČVUT. Praha. 2002 • FERSTL K., MASARYK M.: Prenos tepla. STU. Bratislava. 2011. ISBN 978-80-227-3534-6• KOZUBKOVÁ M., BLEJCHAŘ T., BOJKO M.: Modelování přenosu tepla, hmoty a hybnosti. VŠB –

Technická universita Ostrava. 2011. ISBN - 978-80-248-2491-8

51

• WICHTERLE K., VEČEŘ M.: Základy procesního inženýrství. VŠB - Technická universita. Ostrava. 2012

• KYSELA L., MÍKA J., KYSELOVÁ S.: Teplárenství. VŠB - Technická universita. Ostrava. 2010.• BIRD R. B., STEWART W. E., LIGHTFOOT E.N.: Přenosové jevy. Sdílení hybnosti, energie a hmoty.

ACADEMIA. Praha. 1968• ŠNITA D.: Chemické inženýrství I. VŠCHT. Praha. 2005• JELEMENSKÝ K., ŠESTÁK J., ŽITNÝ R.: Tepelné pochody. STU Bratislava 2004. ISBN80-227-2109-3• NĚMČANSKÝ J. : Směrnice pro projekční navrhování trubkových výměníků tepla. Brno. 1989

Studentské bakalářské a magisterské práce. Vysoké učení technické v Brně. Fakultastrojního inženýrství. 2008 - 2013.

VI. Literatura

CT07 Termomechanika

termo - fakulta stavební vut v brně · 2013-11-25 · tento projekt je spolufinancován...

Documents