Obliczenia termiczne i hydrauliczne przeciwprądowego helikoidalnego wymiennika ciepła.pdf

POLITECHNIKA SZCZECIŃSKA

WYDZIAŁ MECHANICZNY

KATEDRA TECHNIKI CIEPLNEJ

PRACA MAGISTERSKA

Piotr Czerkasow

Obliczenia termiczne i hydrauliczne przeciwprądowego

helikoidalnego wymiennika ciepła

Praca wykonana pod kierunkiem

Prof. dr. hab. inż. Tadeusza Besa

SZCZECIN 2006

OŚWIADCZENIE

Praca niniejsza została wykonana na podstawie materiału naukowego dostarczonego

przez T. Besa. Materiał ten powstał na podstawie raportu dla Stifterverband für die Deutsche

Wissenschaft 1982/1983 oraz Bes, Th.; Roetzel, W.: Verlauf der Fluidtemperaturen im

Querstromrohrbündel. Warme- und Stoffübertragung 28 (1993) 457-463.

Własny wkład w pracę koncentrował się w głównej mierze na szczegółowej analizie

budowy i konstrukcji helikoidalnych wymienników ciepła oraz jej graficznej prezentacji.

Nadto zostały zweryfikowane warunki strat ciśnienia wewnątrz zwiniętych rur w dowolnej

wężownicy i pierścieniu helikoidalnego wymiennika ciepła. Przedstawiono także próbę

analizy przepływu i spadku ciśnień czynnika płynącego wewnątrz przestrzeni

międzyrurkowej.

Oświadczam, że niniejsza praca dyplomowa została opracowana samodzielnie pod

kierunkiem promotora. Wszystkie dane, istotne myśli i sformułowania pochodzące z literatury

opatrzone są odpowiednimi przypisami. Praca ta nie była wcześniej w całości, ani w części

przedkładana do żadnej oceny i nie była publikowana.

Szczecin, dnia 28.06.2006

Spis treści

Spis rysunków ............................................................................................................................ 4

Wstęp.......................................................................................................................................... 5

Cel i zakres pracy ....................................................................................................................... 7

Abstract ...................................................................................................................................... 8

1. Budowa, rodzaje i zastosowanie helikoidalnych wymienników ciepła ............................. 9

1.1. Konstrukcja HHE ....................................................................................................... 9

1.2. Podział HHE............................................................................................................ 13

1.3. Zastosowanie, montaż i eksploatacja HHE .............................................................. 18

2. Geometria HHE................................................................................................................ 22

2.1. Komputerowy model geometrii HHE ...................................................................... 22

2.2. Podstawowe wymiary geometryczne HHE.............................................................. 24

3. Podobieństwo geometryczne i termodynamiczne wymiennika helikoidalnego i

wymiennika krzyżowo-prądowego. ......................................................................................... 28

4. Obliczenia termiczne HHE............................................................................................... 33

4.1. Definicja współczynnika przejmowania i przenikania ciepła, zastępcza średnica

hydrauliczna ......................................................................................................................... 33

4.2. Czynnik płynący w wężownicy................................................................................ 37

4.2.1. Obliczeniowa średnica krzywizny wężownicy. ............................................... 37

4.2.2. Przepływ przez wężownice; krytyczna wartość liczba Reynolds’a ................. 39

4.2.3. Transfer ciepła dla przepływu laminarnego ..................................................... 41

4.2.4. Transfer ciepła dla przepływu turbulentnego................................................... 42

4.2.5. Transfer ciepła dla przepływu przejściowego .................................................. 43

4.3. Czynnik opływający wężownice od zewnątrz. ........................................................ 44

5. Spadki ciśnienia w HHE .................................................................................................. 49

5.1. Spadki ciśnienia w wężownicy ................................................................................ 49

5.2. Spadki ciśnienia w płaszczu ..................................................................................... 51

Wnioski i uwagi końcowe ........................................................................................................ 57

Literatura .................................................................................................................................. 59

Spis rysunków

Rys. 1.1. Przekrój perspektywiczny wymiennika helikoidalnego ............................................. 9

Rys. 1.2. Sposób nawinięcia kolejnych wężownic wymiennika helikoidalnego ..................... 10

Rys. 1.3. Widok perspektywiczny sposobu nawinięcia wężownic HHE................................. 11

Rys. 1.4. Widok perspektywiczny sposobu zakończenia wężownic HHE .............................. 11

Rys. 1.5. Dwa podstawowe typy helikoidalnych wymienników ciepła JAD oraz JAD-X [10]

.......................................................................................................................................... 15

Rys. 1.6. Przekrój wymiennika typu JAD-XK [13] ................................................................. 15

Rys. 1.7. Różne rodzaje wymienników helikoidalnych typu JAD i JAD-X [10] .................... 16

Rys. 1.8. Wymienniki helikoidalne typu H i S [10] ................................................................. 17

Rys. 1.9. Przykłady montażu wymiennika JAD-X w pozycji pionowej i poziomej [13] ........ 19

Rys. 1.10. Wymienniki helikoidalne w stanowisku wymiany ciepła ETS (Energy Transfer

Station) [10]...................................................................................................................... 19

Rys. 1.11. Schemat układu czyszczącego obiegi czynnika w wymienniku helikoidalnym [8]20

Rys. 2.1. Modelowanie wymiennika helikoidalnego w programie „Rhinoceros” ................... 23

Rys. 2.2. Główne wielkości geometryczne charakteryzujące pojedynczy zwój wężownicy

wymiennika helikoidalnego; ............................................................................................ 24

Rys. 2.3. Podstawowe kryterium geometryczne charakteryzujące pojedyncze zwoje wężownic

wymiennika helikoidalnego – kąt ω stały dla każdej wężownicy wymiennika;.............. 26

Rys. 2.4. Wpływ wielkości g i f na geometrię HHE ................................................................ 27

Rys. 3.1. Schemat uproszczenia geometrii i przepływu jednej wężownicy wymiennika

helikoidalnego do współkierunkowego wymiennika krzyżowo-prądowego. .................. 28

Rys. 3.2. Schemat uproszczenia geometrii pierścienia wymiennika helikoidalnego

składającego się z trzech wężownic o trzech zwojach do współkierunkowego

wymiennika krzyżowo-prądowego. ................................................................................. 30

Rys. 3.3. Diagram efektywności P wymiennika krzyżowo prądowego w funkcji

bezwymiarowej średniej różnicy temperatur Θ i NTU dla stosunku pojemności cieplnych

R=1 [7] ............................................................................................................................. 32

Rys. 4.1. Wykres zależności temperatury od powierzchni wymiany ciepła dla przepływu

przeciwprądowego ........................................................................................................... 33

Rys. 4.2. Wyznaczanie zastępczej średnicy hydraulicznej wymiennika helikoidalnego......... 35

Rys. 4.3. Geometria wężownicy............................................................................................... 38

Rys. 4.4. Prąd wtórny przepływu w wężownicy ...................................................................... 39

Rys. 4.5. Wykres

crit

(

)

I = [1] .................................................................................. 40

Rys. 4.6. Kształt przestrzeni dla przepływu między wężownicami ......................................... 45

Rys. 5.1. Kształt przestrzeni międzyrurkowej zdeterminowany kształtem tworzących go

wężownic.......................................................................................................................... 51

Rys. 5.2. Zmiana kształtu przekroju przestrzeni pomiędzy rurkami na długości wymiennika

.......................................................................................................................................... 52

Rys. 5.3. Składowe osiowe i promieniowe kierunków przepływu w przestrzeni

międzyrurkowej................................................................................................................ 54

Rys. 5.4. Schemat uproszczeń wymiennika helikoidalnego do wymiennika krzyżowo –

prądowego. ....................................................................................................................... 55

Wstęp

Helikoidalne wymienniki ciepła, nazywane także wężownicowymi stanowią dosyć

liczną grupę rekuperatorów. Mimo że wśród wymienników ciepła najbardziej

rozpowszechnione są standardowe wymienniki płaszczowo-rurowe i płytowe, to jednak

unikalne cechy oraz istotne zalety wymienników helikoidalnych powodują, że znajdują one

szerokie zastosowanie w ciepłownictwie i wielu gałęziach przemysłu.

Helikoidalny wymiennik ciepła (w pracy nazywany skrótowo HHE od angielskiej

nazwy Helical Heat Exchanger) swoja nazwę zawdzięcza sposobowi profilowania i zwijania

rurek. Zwinięte są one wzdłuż linii śrubowej, czyli helisy, tworząc wężownice. Kilka

wężownic zwiniętych na tej samej średnicy tworzy pierścień. HHE zmontowany jest z wielu

pierścieni, które mają różne średnice. Pierścienie zabudowane są koncentrycznie, blisko jeden

w drugim. Wysokość wszystkich pierścieni jest w przybliżeniu taka sama. Zestaw pierścieni

obudowany jest płaszczem w kształcie cylindra.

Jeden z płynów płynie wewnątrz wężownic przesuwając się zwój po zwoju w

kierunku wypadkowym wzdłuż osi wymiennika. Drugi zaś płynie po stronie zewnętrznej

zwojów ruchem złożonym częściowo wokół, a częściowo w poprzek zwojów z ruchem

wypadkowym wzdłuż tej samej osi. Aby poprawić turbulencje, a więc i transport ciepła w

objętości na zewnątrz rur zwoje dwóch kolejnych pierścieni zwinięte są w kierunkach

przeciwnych (lewo i prawoskrętne). Usytuowanie wypadkowych kierunków przepływu w

przeciwprądzie zapewnia najwyższa efektywność termiczna dla tego typu wymiennika. Jeśli

w rekuperatorze helikoidalnym program podgrzania czynnika lub jego ochłodzenia ma być

przeprowadzony najkorzystniej, to dla zrealizowania tego celu należy wymagać, aby [14]:

• Temperatury czynników zmieniały się głównie wzdłuż osi rekuperatora

• Jednocześnie były one równomiernie rozłożone we wszystkich jego przekrojach

poprzecznych.

Tak więc w przypadku granicznym, dla wzrastającej liczby zwoi w pierścieniu,

zmiany temperatury będą następowały niemal wyłącznie wzdłuż osi i wtedy helikoidalny

rekuperator krzyżowo-przeciwprądowy będzie podobny termodynamicznie do zwykłego

rekuperatora przeciwprądowego [14].

Aby spełnić przedstawione wyżej warunki, wielkości geometryczne charakteryzujące

wężownice i pierścienie HHE nie mogą być dowolne, dlatego określone są zależnościami,

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: