Типы кожухотрубчатых теплообменников

Рис. 1.19. Теплообменник  с плавающей головкой и компенсатором 

Показанная на рис. 1.19 конструкция обеспечивает возможность  извлечения трубного пучка из корпуса  для контроля его состояния и  механической очистки труб. 
 

Компенсаторы, используемые в аппаратах типа ПК, отличаются от линзовых компенсаторов аппаратов типа К относительно меньшими диаметрами, большим, числом волн (гофров), меньшей толщиной стенки. Такие компенсаторы можно использовать при перепаде давлений не более 2,5 МПа, поэтому аппараты типа ПК разрешается эксплуатировать только при одновременной подаче теплоносителей в трубное и межтрубное пространства. 

Пример частичной  компенсации разности температурных  деформаций кожуха и труб – использование  в кожухотрубчатых аппаратах  сальникового уплотнения. 

 

Рис. 1.20. Сальниковое  кольцевое уплотнение 

На рис. 1.20 приведена  схема кольцевого уплотнения трубной  решетки 4, Уплотнение обеспечивают сальниковые  кольца 1 расположенные по обе стороны  от дренажного кольца 3 и поджатые фланцами 2, 5. В случае утечки через сальник теплоноситель выводится из аппарата через отверстие в дренажном кольце. Трубная решетка в аппарате такой конструкции должна быть на периферии достаточно широкой для возможности размещения прокладки и дренажных колец, с учетом перемещения решетки при удлинении труб. 

Такие аппараты нельзя использовать для летучих  и воспламеняющихся жидкостей.

Аппараты  для нагрева  агрессивных  сред 

Аппарат, предназначенный  для нагрева насыщенным водяным  паром кислых агрессивных сред (рис. 1.21) состоит из металлического кожуха 1 и графитового трубного пучка 2. В верхней части аппарата, где его кожух сопрягается с подвижной (трубной) решеткой 3, установлен сальник 4. В качестве сальниковой набивки, как правило, используют графитизированный асбестовый шнур. Уплотнение герметизируют перемещением нажимной втулки 5 и затягиванием шпилек 6. 

 

Рис. 1.21. Теплообменник  для нагрева кислых сред 

Следует учитывать, что при повышенном давлении в  межтрубном пространстве сальник в  таких аппаратах является источником утечек теплоносителя. 

В некоторых  конструкциях кожухотрубчатых теплообменников  с трубами из неметаллических  материалов, например, стекла, компенсацию  температурных удлинений и перекоса труб в решетках обеспечивают упругие  элементы 2 (рис. 1.22, а), установленные между трубой 1 и трубной решеткой 3. Эти элементы изготовляют из полимерных материалов и приклеивают одной стороной к наружной поверхности концов труб, другой – к трубной решетке.

 

Рис. 1.22. Способы  компенсации температурных напряжений в теплообменниках с неметаллическими трубами: 

а – упругими элементами; б – подвижным соединением 

Для компенсации  температурных напряжений в аппарате с неметаллическими трубами иногда используют подвижное соединение одного конца труб с трубной решеткой. В этом случае концы труб 5 закрепляют в трубной решетке 3 (рис. 1.22, б) с использованием сальниковой набивки 4, нажимного кольца 1 и нажимной втулки 2.

                                          Расчетная часть

  Рассчитать вертикальный кожухотрубчатый  теплообменник- конденсатор для конденсации насыщенных паров при атмосферном давлении в количестве G кг/ч. Насыщеный пар, четырёххлористый углерод, расход пара 8000 кг/ч. Охлаждение производится водой, начальная температура которой t_н=10ºС. Конечную температуру воды принять такой, чтобы была обеспечена на выход из теплообменника движущая сила ∆t равная 10-20ºС.   

   1) Определяем среднюю разность температур ∆tср

       Температура конденсации четыреххлористого углерода под атмосферным давлением 76,7ºС

1. Температурная схема конденсатора:

       76,7 76,7

        10    20

∆t_н=67,7                                  ∆t_к=56,7

Так как ∆t_н/∆t_к >2 , то средняя разность температур:   

      =  = 61°С= 61K

Средняя температура охлаждающей воды:

t_ср.в= t_конд-∆t_ср=76,7-61=15,7ºС. 

2) Тепловой поток  Q ( расход передаваемого тепла): 

Q=G₁r₁=( 8000/3600) · 216,3 · 10³Дж/кг=480666,6 Вт.

Где r₁= 216,3 ·10³ Дж/кг- теплота четыреххлористого углерода при 70ºС

Расход охлаждающей  воды  

с_в- теплоемкость воды при температуре t_ср.в., Дж/кг К 

3) Определяем коэффициент  теплопередачи.

Принимаем трубы  теплообменника диаметром 25×2мм. Задаемся значением критерия Re для воды Re= 10000 (развитое турбулентное течение) и определяем скорость движения воды и требуемое число труб:

 

   

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 

Где плотность воды при 15,7ºС.

 динамический коэффициент вязкости воды при 15,7ºС.

Ориентировочное значение коэффициента теплопередачи  от конденсирующегося пара жидкости органических веществ к воде К_ор=300-800 Вт/(м²·К). Тогда максимальная площадь поверхности теплообменника:  

Зная n_p и F_max, выбираем возможный вариант теплообменника при условии n_т<n_p,F<F_max

Одноходовой теплообменник  n=111; F_max=17м².

Двухходовой  теплообменник n=100/2=50 F_max=24м². 

 Проектируемый теплообменник будет двухходовым (n_т=50; n_общ=100; F=24 м²; L=3м)

Определяем  коэффициент теплоотдачи для воды .

Уточняем значение критерия Re:

Развитое турбулентное течение 

Полагая =1.

Значение критерия Pr для воды при 60ºС.=2,98

Тогда

Где - коэффициент теплопроводности воды при температуре 60ºС.

Рассчитываем  коэффициент теплопередачи  в вертикальном теплообменнике для конденсирующегося пара четыреххлористого углерода по уравнению

Значение физико-химических констант четыреххлористого углерода берем при температуре конденсации 60ºС

Расход четыреххлористого  углерода G= 8000/3600=2,22 кг/с.

Следовательно

Термическое сопротивление стальной стенки трубы:

Где коэффициент теплопроводности стали

Тепловая проводимость загрязнения со стороны четыреххлористого углерода.  

             

           Тепловая проводимость загрязнения  со стороны воды:

                          

        
 

Суммарное термическое  сопротивление стенки и загрязнений:

Определяем  коэффициент теплопередачи К

Уточняем  , определив температуру t_ст2.

При этой температуре  определяем Pr_ст2 и пересчитываем

Уточняем коэффициент  К

4) Требуемая площадь поверхности теплообменника F:

Выбранная по ГОСТу поверхность теплообмена  F_т= 24м²

Запас площади  поверхности теплообменника

   22,9%<30%

Тип теплообменника выбираем по .

 

 

>40

Выбираем теплообменник  полужесткой конструкции (тип ТК) 
 
 
 
 

Список  используемой литературы. 
 
 

1. К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А. Носков «Примеры и  задачи по курсу процессов и аппаратов  химической технологии». Издательство «Химия». Ленинград 1987г.
2. А.Н. Плановский, В.М. Рамм, С.З. Каган «Прцессы и аппараты химической технологии». Издательство «Химия» Москва. 1967г. стр. 841
3. В.А. Бушмелев, Н.С. Вольман, «Процессы и аппараты целлюлозно-бумажного производства» Издательство  «Лесная промышленность». Москва 1974г.
4. Ю.Н.Болдырев, А.А.Зорин, В.В.Попов «Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов целлюлозно-бумажного лесохимического и гидролизного производства». Издательство « Лесная промышленность» Москва 1973г.