Материал: Методические указания_Расчет и выбор конструкции кожухотрубного ТА
Диаметр кожуха Dк;
Наружный диаметр теплообменных труб dн;
Число ходов по трубам ;
Площади проходного сечения одного хода по трубам fтр, в вырезе перегородки fв.п и между перегородками fм.п;
Площадь поверхности теплообмена Fст;
Длина теплообменных труб l .
.
2.2. Расчет коэффициента теплопередачи и окончательный выбор та
Перед окончательным выбором теплообменного аппарата необходимо провести расчет коэффициента теплопередачи k по уравнению (3) и, с учетом результатов расчета, по соотношению (4) определить расчетную площадь поверхности теплообмена Fрасч .
Для определения коэффициента теплопередачи необходимо рассчитать коэффициенты теплоотдачи в трубном αтр и межтрубном αмтр пространстве.
Коэффициент теплоотдачи в трубном пространстве αтр находится из соотношения [1, 2, 5]
, (15)
где Re, Pr, Gr – числа подобия теплоносителя, движущегося в теплообменных трубах ТА, при средней арифметической температуре потока; Prс - число Прандтля теплоносителя, движущегося в теплообменных трубах ТА, при средней температуре стенки труб; тр – коэффициент теплопроводности теплоносителя, движущегося в теплообменных трубах ТА; dн , ст – наружный диаметр и толщина стенки теплообменных труб.
Средняя скорость теплоносителя в трубном пространстве выбранного стандартного теплообменного аппарата wтр , необходимая для определения числа Рейнольдса Reтр , рассчитывается по формуле
,
(16)
где Gтр , тр – массовый расход и плотность теплоносителя, движущегося в трубном пространстве; fтр - площадь проходного сечения одного хода по трубам выбранного стандартного ТА.
Значения коэффициентов в уравнении (15) представлены в табл. 7.
Таблица 7
Значения коэффициентов в уравнении (15)
Режим течения, Re |
Значения коэффициентов |
||||
C |
j |
y |
i |
||
Ламинарный, Re<2300:
а) вязкостное течение, Gr.Pr < 8.105 ;
б) вязкостно-гравитационное течение, Gr.Pr ≥ 8.105
|
1,55.(d/l)0,33
0,15
|
0,33
0,33
|
0,33
0,43
|
0
0,1
|
|
Переходный, 2300≤Re≤104 : Re=2300 Re=2500 Re=3000 Re=4000 Re=5000 Re=6000 Re=7000 Re=8000 Re=9000 Re=10000 |
|
||||
3,6 |
0 |
0,43 |
0 |
||
4,9 |
|||||
7,5 |
|||||
12,2 |
|||||
16,5 |
|||||
20,0 |
|||||
24,0 |
|||||
27,0 |
|||||
30,0 |
|||||
33,0 |
|||||
Турбулентный, Re>104 |
0,021 |
0,8 |
0,43 |
0 |
|
При расчете коэффициента теплоотдачи в межтрубном пространстве следует учитывать, что характер омывания потоком теплоносителя трубного пучка в кожухотрубных теплообменных аппаратах в значительной степени отличается от поперечного омывания идеального пучка гладких труб. Распределение потока теплоносителя в межтрубном пространстве значительно усложняет гидродинамическую картину движения теплоносителя и оказывает существенное влияние на конвективный теплообмен (рис. 8 ).
Коэффициент теплоотдачи в межтрубном пространстве αмтр рассчитывается по формуле [2]
,
(17)
где Nu, Re, Pr – числа подобия для теплоносителя, движущегося в межтрубном пространстве ТА, при средней арифметической температуре потока; Prс - число Прандтля теплоносителя, движущегося в межтрубном пространстве ТА, при средней температуре стенки труб; мтр – коэффициент теплопроводности теплоносителя, движущегося в межтрубном пространстве ТА.
Средняя скорость теплоносителя в межтрубном пространстве выбранного стандартного теплообменного аппарата wмтр , необходимая для определения числа Рейнольдса Re , рассчитывается по формуле
,
(18)
где Gмтр , мтр – массовый расход и плотность теплоносителя, движущегося в межтрубном пространстве; fв.п , fм.п - площади проходного сечения в вырезе перегородки и между перегородками в межтрубном пространстве выбранного ТА.
Значения коэффициентов в уравнении (17) зависят от расположения труб в пучке и значений чисел Рейнольдса (табл. 8). В стандартных кожухотрубных теплообменниках трубы располагаются либо по вершинам равносторонних треугольников, либо по вершинам квадратов.
Таблица 8
Значения коэффициентов C1 , m , n в уравнении (17)
Схема расположения труб в пучке |
Число Рейнольдса |
Значения коэффициентов |
||
C1 |
m |
n |
||
|
40<Re<103 |
0,71 |
0,5 |
0,36 |
103≤Re≤2.105 |
0,40 |
0,6 |
0,36 |
|
Re>2.105 |
0,036 |
0,8 |
0,40 |
|
|
40<Re<103 |
0,71 |
0,5 |
0,36 |
103≤Re≤2.105 |
0,36 |
0,6 |
0,36 |
|
Re>2.105 |
0,032 |
0,8 |
0,40 |
|
Оптимальные отверстия под трубы в перегородках
Наружный диаметр труб dн , мм |
Диаметр отверстий dотв , мм |
Площадь зазора между трубой и отверстием, мм2 |
20 |
20,8 |
25,6 |
25 |
26,0 |
40,1 |
Таблица 10
Зазоры между перегородками и кожухом
Внутренний диаметр кожуха, мм |
Зазор между кожухом и перегородкой, мм |
150 – 600 |
3 |
800 |
4 |
1000 – 1400 |
5 |
Поправочный коэффициент Cз может быть рассчитан по формуле
, (21)
где
;
; fз.п –
площадь проходного сечения зазора между
перегородкой и кожухом; fз.т
- площадь проходного сечения зазора
между трубами и отверстиями в перегородках;
fм.п - площадь
проходного сечения между перегородками.
Значения коэффициентов r1 , r2 для стандартных кожухотрубных теплообменных аппаратов приводятся в приложении II, III (табл. 2-5, 3-5).
Поправочный коэффициент Cб учитывает влияние на конвективный теплообмен потока, который минует трубный пучок и движется в зазоре между пучком труб и кожухом (байпасный поток). Байпасный поток ухудшает теплообмен в межтрубном пространстве. Для снижения влияния байпасного потока на конвективный теплообмен в кожухе теплообменного аппарата устанавливаются металлические полосы, которые крепятся к поперечным перегородкам. Уплотняющие полосы рекомендуется применять в тех случаях, когда зазор между кожухом и пучком труб превышает 30 мм (рис. 11). Уплотняющие полосы устанавливаются через каждые 4 – 6 рядов труб.
Рис. 11. Схема установки уплотняющих полос:
Поправочный коэффициент Cб может быть найден из соотношения
, (22)
где
;
; fб.п –
площадь проходного сечения байпасного
потока; fм.п
- площадь проходного сечения между
перегородками; Zп
– число рядов труб между плоскостями,
проходящими через кромки перегородок;
nп –
число пар уплотнительных полос.
Поправочный коэффициент Cz учитывает зависимость среднего коэффициента теплоотдачи в межтрубном пространстве от числа рядов труб в пучке, омываемых в поперечном направлении Zп (Приложение II, III, табл. 2-8, 3-8).
Этот коэффициент может быть определен из графика (рис. 9).
Рис. 9. Зависимость коэффициент Cz от числа рядов труб в пучке, омываемых в поперечном направлении Zп
Поправочный коэффициент Cп учитывает влияние на конвективный теплообмен в межтрубном пространстве потока, проходящего через окна сегментных перегородок, и зависит от высоты свободного сегмента перегородки Bс
,
%, (19)
где h – расстояние от оси перегородки до сегментного выреза; Dпер – диаметр перегородки (рис. 10).
Рис. 10. Схема сегментной перегородки
Высота свободного сегмента определяет долю труб пучка, омываемых поперечным потоком теплоносителя, и меняется для стандартных кожухотрубных ТА от 21 до 33 % (Приложение II, III, табл. 2-4а, 2-4б, 3-4). При оптимизации конструкции теплообменника следует стремиться к тому, чтобы коэффициент Cп был близок к 1.
Для практических расчетов поправочный коэффициент Cп находится из соотношения
Cп = 0,55 + 0,72 φn , (20)
где φn = Nп/N - относительное количество труб, омываемых потоком в поперечном направлении; Nп - число труб, омываемых потоком в поперечном направлении; N – общее число труб в пучке (Приложение II, III, табл. 2-4а, 2-4б, 3-4).
Поправочный коэффициент Cз учитывает влияние на конвективный теплообмен в межтрубном пространстве потоков теплоносителя, проходящих через зазоры между перегородкой и кожухом, и между трубами и отверстиями в перегородках. Эти потоки могут достигать 40 % от общего расхода теплоносителя и однозначно ухудшают теплоотдачу в межтрубном пространстве. Величины зазоров определяются технологией изготовления, требованиями сборки и разборки кожухотрубных теплообменных аппаратов и регламентируются ГОСТом (табл. 9, 10) [2, 11].
Таблица 9