Материал: Методические указания_Расчет и выбор конструкции кожухотрубного ТА

На рис. 5 показаны поперечные перегородки различных типов. Наибольшее распространение получили сегментные перегородки (рис. 5а).

Рис. 5. Поперечные перегородки кожухотрубных аппаратов:

а - с сегментным вырезом; б - с секторным вырезом; в - перегородки «диск-кольцо»; г - с щелевым вырезом; д - «сплошные»

Поперечные перегородки с секторным вырезом (рис. 5б) оснащены дополнительной продольной перегородкой, равной по высоте половине внутреннего диаметра кожуха аппарата. Секторный вырез, по площади равный четверти сечения аппарата, располагают в соседних перегородках в шахматном порядке. При этом теплоноситель в межтрубном пространстве совершает вращательное движение то по часовой стрелке, то против нее.

Аппараты со «сплошными» перегородками (рис. 5д) используются обычно для чистых жидкостей. В этом случае жидкость протекает по кольцевому зазору между теплообменными трубами и отверстиями в перегородках.

Для повышения тепловой мощности теплообменных аппаратов при неизменных длинах труб и габаритах теплообменника используется оребрение наружной поверхности теплообменных труб. Оребренные теплообменные трубы применяются в тех случаях, когда со стороны одного из теплоносителей трудно обеспечить высокий коэффициент теплоотдачи (газообразный теплоноситель, вязкая жидкость, ламинарное течение и т.д.). На рис. 6 приведены варианты наружного оребрения теплообменных труб.

Рис. 6. Оребренные трубы:

а - с приварными «корытообразными» ребрами; б - с завальцованными ребрами; в - с винтовыми накатанными ребрами; г - с выдавленными ребрами; д - с приварными шиловидными ребрами

Для интенсификации теплоотдачи в трубном пространстве используются методы воздействия на поток устройствами, которые турбулизируют теплоноситель в теплообменных трубах. Для этой цели применяются различного рода турбулизирующие вставки, варианты исполнения которых представлены на рис. 7.

Рис. 7. Теплообменные трубы с турбулизаторами:

а - шнековые завихрители; б - ленточные завихрители; в - диафрагмовые трубы с вертикальными канавками; г - диафрагмовые трубы с наклонными канавками; д - проволочные турбулизаторы; е - турбулизирующие вставки

В кожухотрубных теплообменных аппаратах теплоноситель, поступая в межтрубное пространство, в силу конструктивных особенностей делится на несколько потоков (рис. 8):

• А – основной поперечный поток;

• B – перетоки в щелях между отверстиями в поперечных перегородках и теплообменными трубами;

• C – перетоки между кромками перегородок и кожухом;

• D – байпасный поток через зазор между пучком труб и кожухом.

Разделение потока теплоносителя, поступающего в межтрубное пространство, на несколько потоков значительно усложняет гидродинамическую картину движения теплоносителя по сравнению с поперечным омыванием пучков труб и оказывает существенное влияние как на конвективный теплообмен, так и на падение давления теплоносителя. Распределение потоков в межтрубном пространстве зависит от конструктивных характеристик теплообменного аппарата, оптимизация которых является главной задачей при создании новых теплообменников.

Рис. 8. Схема потоков теплоносителя в межтрубном пространстве кожухотрубного теплообменника:

A - основной поперечный поток; В - перетоки в щелях между отверстиями в перегородках и трубами; C - перетоки между кромкой перегородки и кожухом; D - байпасный поток через зазор между пучком труб и кожухом

Учет распределения потоков теплоносителя в межтрубном пространстве необходим, так как в противном случае возможны значительные ошибки при определении среднего коэффициента теплоотдачи  и падения давления теплоносителя p, которые могут составить от 50 до 150 %.

В зависимости от совершенства конструкции теплообменного аппарата меняется и распределение потоков в межтрубном пространстве. При турбулентном режиме течения основной поток (A) не превышает 40 % от всего потока теплоносителя, а при ламинарном – 25 %.

II. Тепловой расчет и выбор конструкции теплообменного аппарата

Целью теплового расчета теплообменного аппарата является выбор стандартного теплообменника при заданных массовых расходах (G₁, G₂) и температурных режимах теплоносителей (t₁, t₁, t₂, t₂).

Конструктивный тепловой расчет кожухотрубного теплообменного аппарата состоит из двух частей:

1. Предварительный (оценочный) расчет критериев, определяющих выбор ТА, и выбор теплообменного аппарата по каталогу;

2. Определение среднего коэффициента теплопередачи k для предварительно выбранного стандартного ТА и расчетной площади поверхности теплообмена F_расч. Окончательный выбор теплообменного аппарата по каталогу.

0. Предварительный (оценочный) расчет и выбор теплообменного аппарата

Первая часть конструктивного теплового расчета состоит из следующих этапов:

1. Выбор типа теплообменного аппарата;

2. Определение по справочной литературе теплофизических свойств теплоносителей;

3. Определение расчетной тепловой мощности теплообменного аппарата из уравнения теплового баланса;

4. Расчет коэффициента теплопередачи по оценочным значениям коэффициентов теплоотдачи (в трубном и межтрубном простран-

стве) и термическим сопротивлениям стенки теплообменных труб и загрязнений;

5. Определение средней разности температур между теплоносителями для противоточной схемы их движения;

6. Определение расчетной площади поверхности теплообмена;

7. Расчет оптимального диапазона площадей проходных сечений в трубном и межтрубном пространстве ТА;

8. Предварительный выбор теплообменного аппарата по диапазону площадей проходных сечений в трубном и межтрубном пространстве ТА и расчетной площади поверхности теплообмена;

9. Расчет минимального индекса противоточности;

10. Определение индекса противоточности выбранной конструкции ТА;

11. Проверка правильности выбора конструкции ТА по сопоставлению индекса противоточности теплообменного аппарата с минимальным индексом противоточности.

Перед расчетом критериев, определяющих выбор теплообменника, следует определить: какой из теплоносителей движется в трубном, а какой в межтрубном пространстве. Выбор проводится по следующим рекомендациям:

• Теплоноситель с более высоким давлением (p  1 МПа) целесообразно направлять в трубы;

• Теплоноситель, вызывающий более интенсивную коррозию, предпочтительно направлять в трубы;

• Теплоноситель, при использовании которого образуется больше отложений, следует направлять в трубы;

• Теплоноситель с большей вязкостью предпочтительно направлять в межтрубное пространство.

При выборе типа теплообменного аппарата необходимо учитывать следующие особенности эксплуатации теплообменников:

• Теплообменные аппараты с плавающей головкой используются при температурах теплообменивающихся сред от –30 ⁰С до +450 ⁰С, давление потока в трубном пространстве может достигать 8,0 МПа. Следует учитывать, что данная конструкция позволяет осуществлять разборку ТА и очистку межтрубного пространства;

• Теплообменные аппараты с неподвижными трубными решетками и с температурным компенсатором на кожухе используются при температурах теплообменивающихся сред от от –70 ⁰С до +350 ⁰С. В теплообменниках без температурных компенсаторов давление теплоносителей в межтрубном пространстве может достигать 4,0 МПа, а максимальная разность температур между теплоносителями не должна превышать 80 ⁰С. В теплообменных аппаратах с температурным компенсатором давление теплоносителя, движущегося в межтрубном пространстве, не должно превышать 1,6 – 1,7 МПа.

После выбора типа теплообменного аппарата, по справочной литературе определяются теплофизические свойства горячего и холодного теплоносителей (c_{pm ,}  _,  _,  _, Pr) [4, 7]. Эти величины выбираются из таблиц или рассчитываются по предлагаемым зависимостям при средних арифметических температурах теплоносителей.

Тепловая мощность теплообменного аппарата Q при заданных температурных режимах (t₁, t₁, t₂, t₂) и расходах (G₁, G₂) теплоносителей рассчитывается по формуле

, (1)

где η – коэффициент, учитывающий тепловые потери в окружающую среду, η = 0,95 – 0,98 [2, 11].

Cредняя разность температур между теплоносителями _m рассчитывается по уравнению Грасгофа для противоточной схемы движения теплоносителей

_m = , (2)

где Θ₁ = t₁ - t₂ , а Θ₂ = t₁ - t₂ .

Коэффициент теплопередачи от горячего к холодному теплоносителю определяется по соотношению

, (3)

где коэффициенты теплоотдачи в трубном α_тр и межтрубном α_мтр пространстве и термические сопротивления загрязнений R_з.тр = (δ/λ)_з.тр, R_з.мтр = (δ/λ)_з.мтр на внутренней и наружной поверхности теплообменных труб выбираются в пределах рекомендуемых диапазонов из справочных таблиц 1 - 4.

Таблица 1

Ориентировочные значения коэффициента теплоотдачи α

в теплообменной аппаратуре

Продолжение табл. 1

Таблица 2

Термические сопротивления загрязнений на поверхностях ТА, создаваемые охлаждающей водой