Тепловой и гидравлический расчет теплообменных аппаратов

8 - поворотная камера; 9 - двойник 

     Для повышения эффективности теплообмена  в трубном пространстве используют методы воздействия на поток устройствами, разрушающими и турбулизирующими движение потока в трубе. Это различного рода турбулизирующие вставки, варианты исполнения которых представлены на рис. 8

Рис. 8. Трубы с турбулизаторами:

а - шнековые завихрители; б - ленточные завихрители; в - диафрагмовые трубы с вертикальными канавками; г - диафрагмовые трубы с наклонными канавками; д - трубы со спиральной проволокой;

е - турбулизатор фирмы "Sulzer" 

Недостатками  теплообменных аппаратов типа «труба в трубе» по сравнению с кожухотрубчатыми аппаратами являются большие габариты, а также более высокий расход металла на единицу поверхности  нагрева.

Теплообменные аппараты типа «труба в трубе» жесткой  конструкции, так же как и кожухотрубчатые с неподвижными решетками, используются при сравнительно небольшой разности температур теплообменивающихся сред и при теплообмене незагрязненных жидкостей.

В теплообменных  аппаратах типа «труба в трубе» разборной  конструкции сравнительно легко очищаются внутренняя и наружная поверхности труб; эти аппараты обладают высоким коэффициентом теплопередачи и являются надежными в эксплуатации.

• Спиральные теплообменники имеют поверхность теплообмена 10-100 м², они работают как под вакуумом, так и при давлении до 1 МПа при температуре рабочей среды от -20 до +200 °С. В этих аппаратах может осуществляться теплообмен между рабочими средами жидкость-жидкость, газ-газ и газ-жидкость, а также могут конденсироваться пары и парогазовые смеси.

 
 

 

Рис. 9. Спиральный теплообменник:

а - общий вид; б - уплотнение с торцов лент в аппаратах с тупиковыми каналами; в -уплотнение с торцов лент в аппаратах со сквозными каналами; 1,2 - ленты, свернутые в спираль; 3 - крышка; 4 - прокладка; 5 - дистанционные проставки. 

     Различают спиральные теплообменники с тупиковыми и сквозными каналами.

Достоинством  спиральных теплообменников является компактность, легкость создания высоких  скоростей движения теплообменивающихся  сред и, как следствие, более высокие  тепловые показатели (коэффициент теплопередачи, тепловая напряженность).

К недостаткам  аппаратов этой конструкции относятся  сложность изготовления и трудность  обеспечения плотности соединений.

• Пластинчатые теплообменники представляют собой аппараты, поверхность которых образована набором тонких штампованных пластин с гофрированной поверхностью. Их различают по степени доступности поверхности теплообмена для осмотра и механической чистки на разборные, разборные со сдвоенными пластинами (полуразборные) и неразборные сварные или паяные. В пластинчатых теплообменниках можно осуществить теплообмен между рабочими средами жидкость-жидкость, пар-жидкость, пар + газ - жидкость, газ-жидкость, газ-газ при давлении до 4 МПа, при температуре рабочей среды от -100 до +300 °С. Пластинчатые теплообменники могут применяться для теплообмена между тремя, четырьмя и большим числом сред в одном аппарате.

   Наиболее  широко применяют разборные пластинчатые теплообменники (рис.   10), в которых гофрированные пластины 2 отделены одна от другой прокладками 3.

Рис. 10. Схема разборного пластинчатого теплообменника:

1 - неподвижная  плита  2 - гофрированные пластины; 3 - прокладки; 4 – нажимная плита

Потоки: I - горячий теплоноситель; II - нагреваемый  теплопродукт.

• Погружные аппараты. Специфической особенностью аппаратов этого типа является наличие емкости-ящика, в которую погружены теплообменные трубы. В ящике находится охлаждающая среда, например вода. Аппараты этого типа используют в качестве холодильников или конденсаторов-холодильников.

   Различают   змеевиковые   и   секционные   аппараты.   Принципиальное   устройство однопоточного погружного конденсатора-холодильника показано на рис. 11

Рис. 11.  Схема однопоточного погружного змеевикового конденсатора-холодильника:

Потоки: I - холодная вода; II –пары нефтепродукта. III – нагретая вода. IV - охлажденный нефтепродукт. 

К недостаткам  аппаратов подобного типа относятся  их громоздкость и повышенный расход металла. Кроме того, в ящике велико свободное сечение для прохода  воды, вследствие чего скорость движения воды мала и относительно малы коэффициенты теплоотдачи от стенок змеевика к воде.

• Аппараты воздушного охлаждения (АВО). Широкое распространение в промышленности получили аппараты воздушного охлаждения, в которых в качестве охлаждающего агента используется поток атмосферного воздуха, нагнетаемый специально установленными вентиляторами.

Использование аппаратов этого типа позволяет  осуществить значительную экономию охлаждающей воды, уменьшить количество сточных вод, исключает необходимость очистки наружной поверхности теплообменных труб. Эти аппараты используются в качестве конденсаторов и холодильников.

• Теплообменные аппараты смешения. В теплообменных аппаратах смешения тепло передается от одной среды к другой путем непосредственного контакта теплообменивающихся потоков. Такой метод передачи тепла позволяет значительно сократить расход металла на изготовление аппаратов. Однако применять этот способ можно только в тех случаях, когда допустимо смешение потоков. Например, воду можно нагреть за счет использования тепла водяного пара при их прямом смешении; тепло, выделяемое конденсирующимся паром, непосредственно воспринимается водой. Применение поверхностного аппарата в таких случаях является неоправданным.

 
 

Теплообменные аппараты смешения классифицируются по следующим основным признакам.

• В зависимости от агрегатного состояния смешиваемых потоков теплообмен может осуществляться между средами, находящимися в парообразном (газообразном), жидком или твердом состоянии.
• В зависимости от способа смешения потоков оно может быть одно- или многоступенчатым при прямоточном или противоточном движении смешивающихся сред.
• В зависимости от внутреннего устройства, обеспечивающего смешение, аппараты могут быть со специальными распиливающими и распределительными устройствами; каскадные, снабженные специальными полками или перегородками (способствующими смешению); насадочные, в которых контакт происходит в основном на поверхности насадки.

 
 
 
 

II. Конструктивный тепловой расчёт.

1) Исходные данные.

 

Определение теплофизических  свойств горячего и холодного теплоносителей (с_pm, λ, ν, ρ, Pr).

Определим среднюю арифметическую температуру теплоносителей.

 

Определим мощность теплообменного аппарата.

 

η –  коэффициент, учитывающий тепловые потери в окружающую среду (от 0,95 до 0,98). Примем η=0,97.

 Вт

Расчитаем массовый расход мазута.

Q₂=η∙Q₁

 Вт

кг/с 
 

Определим среднюю разность температур между  теплоносителями  θ_m.

Для противоточной  схемы движения теплоносителей средняя разность температур между теплоносителями θ_m рассчитывается по уравнению Грасгофа:

Определим оптимальный диапазон площадей проходных  сечений (f₁, f₂) и минимального индекса противоточности P_min ТА.

Выберем скорости теплоносителей:

керосин – ω₁=2 м/с;

вода – ω₂=1 м/с.

м²

м²

Выбираем  противоток P=1. 

Определим водяной эквивалент kF и площадь поверхности F теплообмена ТА.

Вт/К 

Коэффициент теплопередачи от горячего к холодному  теплоносителю определяется по соотношению:

где , – коэффициенты теплоотдачи в трубном и межтрубном пространстве;

и – термические сопротивления загрязнений на внутренней и наружной поверхности теплообменных труб;

 – толщина стенки теплообменных  труб кожухотрубных ТА (от 1,5 до 3 мм). Примем  м.

 – коэффициент теплопроводности  стенки теплообменных труб. 

Примем:

α_тр=800 Вт/(м²К);

 α_мтр=1000 Вт/(м²К);

м²К/Вт;

 м²К/Вт;

= 25,5 Вт/(м^.К) – коэффициент теплопроводности стали хромистой нержавеющей 2Х13;

 м²К/Вт.

 Вт/(м²К)

В итоге  площадь поверхности теплообмена  ТА:

м² 

2) Предварительный  выбор ТА по каталогу.

а) Выбираем теплообменный аппарат с неподвижными трубными решетками и температурным компенсатором на кожухе.

б) По значениям  вязкости теплоносителей и термических  загрязнений направляем керосин в трубное, а воду в межтрубное пространство.

в) По диапазону  площадей проходных сечений трубного и межтрубного пространства, а  также по величине расчётной площади  поверхности теплообмена, предварительно выбираем следущий ТА. 

Характеристики  ТА: