Termo. Středoevropské centrum pro vytváření a realizaci inovovaných technicko-ekonomických studijních programů

Termo Středoevropské centrum pro vytváření a realizaci inovovaných technicko-ekonomických studijních programů Registrační číslo: CZ.1.07/2.2.00/28.0301 VUT, FAST, Brno ústav Technických zařízen zení budov GG

Výměníky tepla I. Úvod II. Návrh, kritéria, hodnocení III. Negativní vlivy IV. Závěr V. Příklady VI. Literatura 2

CT07 - Termomechanika I. Úvod Výměníky tvoří v technice prostředí fyzické objekty umožňující výměnu tepla a přeměnu formy energie často s doprovodným jevem přenosem látky VZT Organis my Výchozí poznatky studia TZB na FAST Chlazení ÚT PTV Obory a objekty výměníků v TZB. Solár Technol Budova 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 - pokračování Klasifikace výměníků tepla a) Způsob přenosu tepla 1. Výměníky přímé kontaktní chladicí věže směšovací (vstřikování kondenzátu do páry) 2. Výměníky nepřímé rekuperační (povrchové) regenerační 3. Výměníky zvláštní (elektrické ohřívače) 4

I. Úvod - pokračování c) Změna skupenství 1. ohřívače, chladiče 2. kondenzátory, výparníky d) Pracovní tlak 1. tlakové 2. beztlakové (atmosférické) 3. podtlakové e) Konstrukčního uspořádání 1. stojaté 2. ležaté 3. šikmé 5

I. Úvod - pokračování f) Provedení konstrukce ploch výměny tepla 1. Výměníky trubkové 2. Výměníky deskové Požadavky na výměníky nejmenší rozměry, hmotnost, cena nejmenší tlakové ztráty (čerpací práce) nejvyšší spolehlivost v provozu nejvyšší účinnost přenosu tepla požadovaný tepelný výkon 6

I. Úvod - pokračování Tab. 1 Základní charakteristiky výměníků používaných v technické praxi 7

I. Úvod - pokračování Obr. 1 Teplotní oblasti použití pracovních tekutin ve výměníku 8

I. Úvod - pokračování Obr. 2 Optimální pracovní oblasti pro různé typy deskových a trubkových výměníků 9

II. Návrh, kritéria, hodnocení Problematika návrhu výměníků Charakteristika Fáze řešení Základní veličiny Zásadní úlohy Metody - nestacionární fyzikální děje spojené s přenosem tepla event. látek, - geometrie výměníků při provozu v TZB konstantní. - tepelné a hmotnostní bilance vycházející ze sdílení tepla a látky, -proudění tekutin sledující hydraulické poměry a tlakové ztráty, - pevnostní problematika, - ekonomie, - optimalizace. - tepelný výkon, střední teploty, přenosové a průtokové kritérium, účinnost, exergie, anergie, atd. - velikost (teplosněnná plocha) pro specifikované teplonosné látky, - veličiny teplonosných látek odpovídajících danému výměníku. - široké spektrum od triviálních po exaktní 10

II. Návrh, kritéria, hodnocení - pokračování Tepelná problematika výměníku a. Podstata řešení y dm t p Vyčíslení tepelných výměn probíhajících mezi dvěma prostředími tvořených tekutinami. Zásadní veličinou tepelného toku je rozdíl teplot. w s ds x Obr. 3 Schéma fyzikálního modelu t o s ρ, c p α r, S b. Předpoklady řešení jednorozměrný problém, konstantní fyzikální vlastnosti. c. Primární veličiny: S, r, m, c, w s, t s, t p (střední hodnoty rychlosti a teploty, teplota povrchu), atd. blíže obr. 3. 11

II. Návrh, kritéria, hodnocení - pokračování d. Složky bilancí Tepelné toky lze vyjádřit primárními formulemi přenosu tepla platí m. c. t = α. ( t ) Δ Q α. S.( T T ) t p mx e. Tepelně látková (hmotnostní) bilance p s o ( s t t ) o p = mx mx m2 s m. c. dt = α. m = S. w. ρ x α = f(re, Fo, Pr, Gr,...) po úpravách a zavedení rozdílu teplot θ s s = t t p platí θ s = d θ s α. ds s S. w. ρ. c p

II. Návrh, kritéria, hodnocení - pokračování f. Rozdíl středních teplot - elementární tepelný tok dq = m. c dt = m. c. dt t t t c c c t 1 dq dq m t m ch - pro tekutiny 1 a 2 vyplývá po úpravách a souproudé proudění pro rozdíl středních teplot Δt = Δt1 Δt Δt1 ln Δ t 2 2 t t 2 Δt x Δt dx dt 1 dt 2 Δt t 1 t 2 Obr. 4 Schéma teplotních poměrů pro souproud 13

II. Návrh, kritéria, hodnocení - pokračování 1 g. Grafická interpretace středního rozdílu teplot: A. Střední aritmetický rozdíl B. Střední logaritmický rozdíl Δt Δt 0,9 0,8 0,7 0,6 Δt /Δt = 0 1 Δt - větší teplotní rozdíl Δt - menší teplotní rozdíl 0,5 0,4 0,3 Δt /Δt = 0 0,1 pro Δt /Δt = 0,5 je odchylka menší než 4 % 0,2 0,1 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 Δt /Δt Obr. 5 Schéma rozdílu teplot 14

II. Návrh, kritéria, hodnocení - pokračování Metody tepelného výpočtu výměníků Tepelný výpočet výměníku lze provést celou řadou metod a algoritmů. Základní metody tvoří: 1. ε - NTU* metoda 2. P - NTU* metoda 3. 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 měrná tepelná kapacita je konstantní. Pokud je funkcí teploty, určí se u dané tekutiny střední teplota, pro kterou se určí hodnota měrné tepelné kapacity. Stejný postup je nutné aplikovat i pro jiné fyzikální vlastnosti tzn. hustotu, tepelnou vodivost apod. 15

II. Návrh, kritéria, hodnocení - pokračování MTD metoda středního teplotního rozdílu Základní veličiny tepelně hmotnostních výměn hmotnostní průtoky obou tekutin m 1, m 2 vstupní teploty obou tekutin t 1, t 2 výstupní teploty jedné tekutiny t 1, t 2 nebo převedený tepelný tok Q tlakové ztráty na stranách obou tekutin Δp 1, Δp 2 při obtékání teplosměnného povrchu A hodnoty průtokových tepelných kapacit Ċ (Ẁ vodní hodnota) nebo také tepelná kapacita průtoku Ċ 1 = c p1.m 1 ; Ċ 2 = c p2.m 2 [J/K] 16

II. Návrh, kritéria, hodnocení - pokračování Zvýšení účinnosti tepelné výměny 1. Prodloužením délky trubky l (zvětší se teplosměnná plocha) 2. Zvětšením průměru trubky d 1 a d 2 (dosáhne se zvětšení plochy) 3. Snížením tloušťky stěny trubky 4. Použitím materiál s co nejlepší tepelnou vodivostí λ 5. Uplatněním co nejvyššího teplotního rozdílu T 6. Zvětšením vnější plochy vnitřní trubky žebrováním, trny apod. 7. Zapojením do série většího počtu výměníků 17

II. Návrh, kritéria, hodnocení - pokračování Tab. 2 Součinitelé přestupu tepla 18

II. Návrh, kritéria, hodnocení - pokračování Tab. 3 Součinitel prostupu tepla 19

II. Návrh, kritéria, hodnocení - pokračování Změněné podmínky provozu výměníku Pokud výměník pracuje v jiných podmínkách než v těch, pro které byl navržen je nutná 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 výměníkem Diferenciální rovnice teplotních polí tekutin proudících výměníkem mají tvar 20

II. Návrh, kritéria, hodnocení - pokračování Bezrozměrné veličiny A a B jsou přenosové jednotky tepla případně tepelné charakteristiky výměníku, veličina C je jeho průtoková charakteristika. V technické literatuře jsou někdy označované jako NTU (Number of Heat Transfer Units), X = S x /S, přičemž S x = S.X a ds x = S.dX 21

II. Návrh, kritéria, hodnocení - pokračování 1. Účinnost výměníku Poměr skutečného výkonu výměníku a maximálního výkonu výměníku představuje účinnost výměníku, která je dána vztahem Čtyři vstupní/výstupní teploty obou toků jsou se skutečným výkonem výměníku vázané integrální tepelnou bilancí podle vztahu 22

II. Návrh, kritéria, hodnocení - pokračování Výkon výměníku Výkon výměníku Q lze vyjádřit jako funkci provozní charakteristiky Φ, podle daných teplot tekutin t a tepelných kapacit toku Ċ 1 a Ċ 2 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

II. Návrh, kritéria, hodnocení - pokračování Po formální stránce je vidět určitou afinitu mezi vlastním výkonem výměníku Φ.Ċ 1 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 úměrné součiniteli prostupu tepla k. Posuzování výměníků podle výše uvedených vztahů ale dává různé výsledky, neboť závislost Φ na přenosové jednotce A není lineární. 24

II. Návrh, kritéria, hodnocení - pokračování Provozní charakteristika Provozní charakteristika Φ výměníku závisí jednak na jeho průtokovém uspořádání, jednak na veličinách obsahujících přenosovou plochu S a podmínky provozu dané hodnotami k, Ċ 1 a Ċ 2. Pomocí zavedených substitucí kde A, B přenosové kritérium, C -průtokové kritérium (0 C 1) pro každé průtokové uspořádání možné sestavit funkci tvaru 25

II. Návrh, kritéria, hodnocení - pokračování Přenosová charakteristika Přenosová 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 Φ při 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 souproudé a protiproudé výměníky různé velikosti. 26

II. Návrh, kritéria, hodnocení - pokračování Termická účinnost υ 1 = δt (v) /Δt (v) = Δt 1 /Δt = Q/(C (m).δt (v)) [-] kde δt (v), Δt 1 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 závislost kde υ 1 = f [A nebo B, C, (Q Q S )/(Q P Q S )] Q tepelný výkon sledovaného výměníku Q S, Q P tepelný výkon souproudého, protiproudého výměníku A, B přenosové kritérium C 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 doprovází druhý a naopak. 28

III. Negativní vlivy - pokračování Obr. 6 Kritická místa zanášení trubkového výměníku 29

III. Negativní vlivy - pokračování Tab. 4 Hodnoty odporu usazenin R f u různých tekutin 30

III. Negativní vlivy - pokračování Tab. 5 Náchylnost pracovních látek k zanášení 31

III. Negativní vlivy - pokračování Druhy usazenin technické parametry a) olej (kompresory) d u = 0,05 až 0,1 mm λ u = 0,14 W/m K R u = (0,36 až 0,71).10-3 m 2 K/W doporučená hodnota R u 0,6.10-3 m 2 K/W součinitel λ u je značně ovlivněn b) rez vzniká na vodní nebo solankové straně ocelových deskových ploch R u = 0,1.10-3 m 2 K/W λ u = 0,035 až 0,07 W/mK 32

III. Negativní vlivy - pokračování c) námraza Otázka námrazy tloušťky d h, struktury tj. hustoty ρ h, tepelné vodivosti λ u v závislosti na vlhkosti vzduchu, teplotě t a čase τ je velice složitá a není dosud exaktním způsobem zvládnuta. Obecně se doporučuje přepokládat rovnoměrné rozložení námrazy na a po celé teplosměnné ploše A a hustotu námrazy ρ h v závislosti na době namrzání τ [min] brát při libovolné teplotě t [ C]. hustota námrazy ρ h = 39,42.τ 0,4252 [ kg/h] součinitel tepelné vodivosti λ u = (5,14 + 1,263.ρ h ).10-3 [ W/m K] nebo λ u = (5,124 + 49,79.τ 0,4252 ).10-3 [ W/m K] jinovatka: λ u = 0,20 W/m K, ρ = 300 kg/m 3 33

III. Negativní vlivy - pokračování d) usazeniny z vody ve vodě dochází při ohřevu k rozpadu karbonátové tvrdosti (vápenaté Ca (HCO 3 ) a hořečnaté Mg (HCO 3 )) hydrokarbonáty, t kr = 60 C silné 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, H 2 SO 4 atd.) d u 0,5 mm, λ = 1,5 až 2,0 W/m K, R = 0,25 až 0,33.10-3 m 2 K/W 34

III. Negativní vlivy - pokračování Obr. 7 Detail krystalizační usazeniny na desce výměníku Obr. 8 Detail mezideskové usazeniny se zřetelným otiskem profilace desky výměníku 35

III. Negativní vlivy - pokračování Obr. 9 Časový průběh zanášení výměníku nečistotami 36

III. Negativní vlivy - pokračování Obr. 10 Vliv lineární rychlosti proudění a turbulence tekutiny u trubkového a deskového výměníku 37

III. Negativní vlivy - pokračování Obr. 11 Schématické zobrazení metody na diagnostikování možných netěsností (otvorů) v deskových výměnících 1- 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. Závěr V případě, že výměníky pracují s provozním přetlakem nad 0,07 MPa (70 kpa) platí pro něčsn 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 norměčsn-en 286 do doby jejich oficiálního zrušení. 39

IV. Závěr Tab. 6 Standardy TEMA trubkových výměníků 40

IV. Závěr Obr. 10 Řez trubkovým výměníkem tepla Základem 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), vytváří mezitrubkový prostor (MP). 41

IV. Závěr Obr. 11 Trubkový výměník se šroubovicovým přepážkovým systémem 42

IV. Závěr Typické hodnoty deskových výměníků teplosměnná plocha jednotlivých desek 0,03 až 2,5 m 2 max. teplosměnná plocha v rámu 1500 m 2 max. pracovní tlak 2,5 MPa/25 baru max. pracovní teplota těsnění syntetická pryž těsnění lisované azbest. vlákna 177 C 250 C max. průměr otvorů 400 mm max. průtok 0,7 m 3 /s tloušťka desek 0,6 až 1 mm mezera v průchodu mezi deskami 1,5 až 5 mm rozteč stlačených desek 2 až 6 mm 43

IV. Závěr Hodnotící faktory výměníků 1. Přestupy tepla na teplosměnných plochách nutné znát vstupní a výstupní teploty obou tekutin, na základě toho určit ΔT a dále hmotnostní průtoky m 1, m 2 w pro kapaliny se volí 0,4 až 4 m/s; pro plyny 3 až 20 m/s možnost čištění ( mechanicky nebo chemicky) 2. Požadavek určitých rozměrů zvýšení tepelných toků umělou turbulencí malé kanály, vysoké rychlosti, vhodná konstrukce, hmotnost 44

IV. Závěr 3. Cenové požadavky přímé investiční náklady na výměník (roční odpisy) životnost výměníku (min 15 let) energetické nároky na provoz volba optimální rychlostí proudění látek 4. Požadavky na pevnost do 1,5 MPa a t = 150 C pevnosti lze dosáhnout bez problému při vyšších hodnotách Δp a t je pevnostní výpočet nejdůležitější částí výpočtu ( teorie pružné desky) dbát na různou teplotní roztažnost použitých materiálů a dílů 45

IV. Závěr 5. Druh materiálu výběr materiálu z hlediska nebezpečí koroze dbát na možnost zpracování materiálu (obrábění, svařování, pájení atd.) 6. Těsnost základní požadavek u výměníků (zejména při velkém rozdílu Δp obou tekutin rozdíl tlaků) pozor na těsnění při čištění výměníku 7. Regulovatelnost rozhodující vliv na kvalitu a ekonomii provozu 46

V. Příklady Výměníky kapalina-kapalina, plyn-plyn, kapalina-plyn jsou nejčastěji používané výměníky 1. Výměník kapalina - kapalina nejčastější typy výměníků v této skupině jsou výměníky plášťové uspořádání trubek v trubkovnici svazku: podle rovnostranných trojúhelníků, uspořádání za sebou, uspořádání vystřídané značná délka vnitřních trubek (podepření), 30 až 40 d různé trubkovnice kapalinové cesty v trubkách jednosměrné (jednochodé), dvou nebo vícesměrové (dvou nebo vícechodé) limitující faktor tvoří hydraulické odpory, používají se tam, kde součinitelé α 1 a α 2 se na obou stranách výměníku příliš neliší (max. 2 až 3krát) 47

V. Příklady 2. Výměník plyn plyn Požadavky jsou úplně jiné než na výměník kapalina kapalina Pro 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 3. Výměník kapalina - plyn Nejčastěji tvoří ohřívače a chladiče vzduchu Přestupy tepla na straně plynu obvykle o více než 1 řád menší, než na straně kapaliny žebrování w < 10 m/s na straně plynu, Δp = 100 až 200 Pa w = < 0,5-1> m/s na straně kapaliny při proudění v trubkách ( turbulentní proudění) Existuje řada konstrukcí 48

V. Příklady CT07 Termomechanika Tab. 7 Provozní charakteristiky 49

V. Příklady 5 ČISTÁ PÁRA 2,8 bar 1 2 Obr. 11 Schéma zapojení vyvíječe čisté páry pro systémy centrální sterilizace 4 3 50

VI. Literatura 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 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. Fakulta strojního inženýrství. 2008-2013. 51