Расчет теплообменника

Задача конструктивного расчета состоит в определении при номинальном режиме и заданной тепловой производительности геометрических размеров теплообменников. Предлагаемая последовательность может быть положена в основу выбора, проектирования кожухотрубчатых теплообменников:

1. Уточняют технологическую и тепловую схемы, в которых одним из элементов является рассматриваемый теплообменник.

2. Оценивают величину продувок, дренажей, сливов, проб и других потерь и составляют схемы тепловых и материальных потоков для рассчитываемого аппарата. Определяют из материального баланса массовый расход теплоносителей, принимают их начальные и конечные температуры.

3. Составляют тепловой баланс аппарата и находят тепловую нагрузку Q. Ее находят в соответствии с заданными технологическими условиями из уравнения теплового баланса для одного из теплоносителей:

а) если агрегатное состояние теплоносителя не меняется — из уравнения;

б) при конденсации насыщенных паров без охлаждения конденсата или при кипении — из уравнения,

в) при конденсации перегретых паров с охлаждением конденсата где

I1H— энтальпия перегретого пара, кДж/кг.
Тепловые потери при наличии теплоизоляции незначительны, поэтому при записи уравнений они не учитывались.

Один какой-либо технологический параметр, не указанный в исходном задании (расход одного из теплоносителей или одна из температур), можно найти с помощью уравнения теплового баланса для всего аппарата в целом, приравнивая правые части уравнений для горячего и холодного теплоносителей.

После этого уточняют начальные и конечные температуры теплоносителей, их физико-химические свойства, токсичность и агрессивность по отношению к конструкционным материалам.

4. Определяют сообразно с технологическими свойствами теплоносителей конструкцию теплообменника, а по химической агрессивности выбирают конструкционные материалы для его изготовления.

5. Выбирают в зависимости от свойств и температуры теплоносителей, степени рекуперации теплоты и конструктивной схемы теплообменника направление относительного тока обменивающихся теплотой веществ. Противоточное движение теплоносителей всегда должно быть наиболее желательным при проектировании нового теплообменника, так как при прочих равных условиях оно способствует повышению теплопроизводительности Q или уменьшению рабочей поверхности аппарата F F.

Направление тока теплоносителей оказывает влияние не только на общую теплопроизводительность аппарата Q, но и на изменение температур теплоносителей, а увеличение перепадов температуры при неизменной теплопроизводительности приводит к уменьшению расходов теплоносителей и затрат на энергию для их транспортировки. ?t1 ?t2

В решении вопроса выбора тока теплоносителя относительно поверхности теплообмена при наружном омывании пучка труб следует руководствоваться следующим правилом: при отношении выгоднее продольное, а при — поперечное омывание.

6. Определяют среднюю разность температур теплоносителей ?tср. В аппаратах с прямо- или противоточным движением теплоносителей средняя разность температур потоков определяется как среднелогарифмическая между большей и меньшей разностями температур теплоносителей на концах аппарата

Если эти разности температур одинаковы или отличаются не более чем в два раза, то среднюю разность температур можно приближенно определить как среднеарифметическую между ними

В аппаратах с противоточным движением теплоносителей ?tср при прочих равных условиях больше, чем в случае прямотока. Это различие практически исчезает при очень малом изменении температуры одного из теплоносителей.

7. Оценивают значения коэффициентов теплоотдачи для теплоносителей как от горячего к стенке (?1), так и от стенки к холодному (?2). Определяют термическое сопротивление поверхности теплообмена вместе с загрязнениями на обеих ее сторонах

8. С учетом загрязненности поверхности определяют ориентировочные значения коэффициента теплопередачи. Его можно рассчитать с помощью уравнения аддитивности термических сопротивлений на пути теплового потока:
, где ?1 и ?2 — коэффициенты теплоотдачи со стороны теплоносителей, Вт/м2 К; ?ст — теплопроводность материала стенки, Вт/м К; ?ст— толщина стенки, м; rз1 и rз2 — термические сопротивления слоев загрязнений с обеих сторон стенки, Вт/м К. Это уравнение справедливо для передачи тепла через плоскую или цилиндрическую стенку при условии, что (где Rн и Rв — наружный и внутренний радиусы цилиндра, м).

Однако на этой стадии расчета точное определение коэффициента теплопередачи невозможно, так как ?1 и ?2 зависят от параметров конструкции рассчитываемого теплообменного аппарата. Поэтому сначала на основании ориентировочной оценки коэффициента теплопередачи приходится приближенно определить, поверхность и выбрать конкретный вариант конструкции, а затем провести уточненный расчет коэффициента теплопередачи и требуемой поверхности.

Сопоставление ее с поверхностью выбранного нормализованного теплообменника дает ответ на вопрос о пригодности выбранного варианта для данной технологической задачи. При значительном отклонении расчетной поверхности от выбранной следует перейти к другому варианту конструкции и вновь выполнить уточненный расчет. Число повторных расчетов зависит главным образом от степени отклонения ориентировочной оценки коэффициента теплопередачи от его уточненного значения.

9. По ориентировочному значению К определяют предварительное эскизное значение поверхности теплообмена Fэс:

10. Определяют средние температуры теплоносителей в аппарате. Если агрегатное состояние теплоносителя не меняется, его среднюю температуру можно определить как среднеарифметическую между начальной и конечной температурами:
, i=1,2

Более точное значение средней температуры одного из теплоносителей можно получить, используя среднюю разность температур где tj— среднеарифметическая температура теплоносителя с меньшим перепадом температуры вдоль поверхности теплообмена, К.

При изменении агрегатного состояния теплоносителя его температура постоянна вдоль всей поверхности теплопередачи и равна температуре кипения (или конденсации) зависящей от давления и состава теплоносителя.

11. По средним температурам теплоносителей и по справочным таблицам находят значения плотностей ?, а затем секундные объемы теплоносителей:

Для теплоносителей, плотность которых существенно изменяется от температуры, секундные объемы необходимо определить по начальной, средней и конечной температурам для соответствующих участков теплообменника.

12. Выбирают скорость теплоносителя. В кожухотрубчатом аппарате только один теплоноситель может иметь оптимальную скорость (обычно внутри труб), а скорость другого (в межтрубном пространстве) получается в зависимости от способа распределения труб в трубной решетке. Верхний предел скорости жидкостей и газов лимитируется оптимальным гидравлическим сопротивлением аппарата, а также эрозией материала труб в результате воздействия потока. Динамический напор струи на трубу

13. Выбирают направление тока теплоносителей в то или другое пространство теплообменника. Внутри труб легче достигается повышенная скорость, и поэтому в «жидко-жидкостных» теплообменниках теплоноситель с меньшим коэффициентом теплоотдачи или малым расходом лучше направлять в трубное пространство; в «газожидкостных» теплообменниках обычно жидкость подается в трубное пространство, а газ — в межтрубное.

14. Выбирают диаметр труб и определяют их длину и число. В промышленных теплообменниках редко применяют трубы наружным диаметром менее 17 мм.

В многоходовых теплообменных аппаратах число ходов рекомендуется выбирать четным, чтобы входной и выходной патрубки теплоносителя были расположены в одной крышке аппарата. Если по расчету рабочая длина труб даже при большом числе ходов (6 — 8) получается неконструктивно велика, необходимо либо задаться меньшей скоростью теплоносителя или меньшим диаметром труб, либо принять меньшими обе величины.

15. Выбирают метод разбивки труб в трубной решетке и способ крепления, а также планируют участки под перегородки в трубных решетках и крышках многоходовых аппаратов.

Для труб диаметром 17 <dн мм.

Число труб, размещенных на решетке, можно определить, зная площадь решетки, приходящуюся на одну трубу
, где k1 = 0,7 — 0,85 — коэффициент заполнения; D — диаметр круга, на котором размещаются трубы, м; t — шаг расположения труб, м.

Введением коэффициента заполнения учитывают меньшую плотность размещения труб по краю решетки и то, что часть площади трубной решетки обычно занимают перегородки, устанавливаемые для образования ходов по трубам.

Наиболее часто при производстве теплообменников кожухотрубчатых применяют трубы наружных диаметров 25 мм с толщиной стенки 1,6 — 3,0 мм и трубы наружным диаметром 20 мм с толщиной стенки 1,6 — 2,0 мм.

16. Вычерчивают эскиз теплообменника. По выбранному числу ходов определяют тип крышки аппарата. По эскизу трубной решетки с нанесенной разбивкой труб и свободными участками под перегородки крышек уточняют число труб в каждом ходу, стремясь достичь их приблизительного равенства.