Розрахунок теплобмінника

    Розглянемо  процес природної конвекції, викликаний різницями гравітаційних сил, обумовленими перепадами температур і, як наслідок, різницями густини середовища. В  даному випадку тепловіддача залежить від форми і розмірів поверхні нагріву, температур поверхні і теплоносія, коефіцієнта об'ємного розширення і  інших фізичних властивостей. Швидкість  руху рідини не робить впливу на тепловіддачу, тому критерій Рейнольдса виключається з рівнянь тепловіддачі при природній  конвенції. 

    Основне рівняння теплопередачі 

    В більшості практичних випадків взаємодія  теплоносіїв відбувається через  деяку поверхню розділу, яка в  загальному випадку може розглядатися як багатошарова тверда стінка. Наприклад, в трубчастих теплообмінниках теплообмін відбувається через стінку труби  і два шари забруднень з обох боків  стінки.

    Цей вид теплообміну називається  теплопередачею. Кількість передаваної теплоти визначається основним рівнянням теплопередачі:

    Q = KF∆t_cp,                                               (1.2) 

де : Q — тепловий потік, тобто кількість теплоти, передавана через поверхню теплообміну в 1 с, Вт;

    К — коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м²К);

    F — площа поверхні теплопередачі, м²;

    ∆t_ср — середня різниця температур гарячого і холодного теплоносія, К. 

    Коефіцієнт  теплопередачі К показує, яка кількість теплоти переходить в одиницю часу від більш нагрітого до менш нагрітого теплоносія через розділяючу їх стінку площею 1 м² протягом 1 с, при різниці температур між теплоносіями 1К. 

    Рушійна сила процесу теплопередачі 

    Рушійною  силою теплопередачі є різниця температур між гарячим і холодним теплоносієм.

    Найбільш  часто теплопередача в промисловій  апаратурі протікає при змінних  температурах теплоносіїв. Температури  теплоносіїв змінюються уздовж поверхні розділяючої їх стінки, тому в теплових розрахунках користуються середньою різницею температур ∆t_ср, яка і входить в рівняння теплопередачі.

    Кількість теплоти, передавана через поверхню при теплообміні, пропорційно середньої  різниці температур.

    При рівномірному і невеликому падінні температур по довжині поверхні нагріву або охолоджування середня різниця температур буде середньоарифметичною.

    При більш інтенсивному теплообміні  і великих різницях температур, тобто при ∆t_б/∆t_м > 2, падіння температур по довжині поверхні нерівномірно. В цьому випадку середня різниця буде середнєлогарифмичною, що змінюється по кривій від початкової до кінцевої різниці температур теплоносіїв.

    Теплопередача, при змінних температурах залежить від взаємного напряму руху теплоносіїв уздовж розділяючої їх стінки. Паралельний струм, або прямоток, — теплоносії (1 і 2) рухаються в одному напрямі (рис.1.3, а). Протитечія — теплоносії рухаються в протилежних напрямах (рис.1.3, б). Перехресний струм — теплоносія рухаються взаємно перпендикулярно один іншому (рис.1.3, в). Змішаний струм — один з теплоносіїв рухається в одному напрямі, а інший — як прямотоком, так і протитечією до першої (рис.1.3, г). 

    

    Рис. 1.3. Варіанти напряму руху теплоносіїв вздовж розділяючої їх стінки:

    а — прямоток; б — протиток; в — перекрестный;

    г — змішаний; 1, 2—теплоносії. 

    Найпоширенішими видами руху є прямо- і протитечія. Проте застосування протитечії більш економічно, ніж прямотока. Це витікає з того, що середня різниця температур при протитечії більше, ніж при прямоток, а витрата теплоносіїв однакова (при однакових початкових і кінцевих температурах теплоносіїв) і швидкість теплообміну при протитечії більше.

    Зіставлення температурних режимів роботи теплообмінних  апаратів при прямотокі і протитечії переконує, що при прямотоке (рис.1.4, а) максимальний температурний натиск має місце біля входу в теплообмінник. Потім цей натиск зменшується, досягаючи мінімального значення на виході з апарату. При протитечії (рис.1.4, б) теплове навантаження більш рівномірне, а кінцева температура нагріваючого середовища може бути вищою за кінцеву температуру охолоджуючого середовища. Це дозволяє при регенерації теплоти забезпечити більш високий підігрів середовища, що нагрівається, а при охолоджуванні – понизити витрату охолоджуючого агента або при тій же витраті знизити кінцеву температуру охолоджуваного середовища. 

    

 

    Рис. 1.4. Характер зміни температур теплоносіїв:

    а—прямоток; б—протиток. 

    В інженерних розрахунках для визначення сумарного коефіцієнта тепловіддачі користуються емпіричними рівняннями.

    Для зменшення втрат теплоти в  оточуюче середовище апарати і трубопроводи покривають матеріалами теплоізоляцій  з низькою теплопровідністю. Як матеріали  теплоізоляцій використовують скловату, азбест, пробкові плити, совелит і  ін. Ізоляція повинна бути термостійкий, негігроскопічний, дешевою і довговічною.  

    Опис конструкції кожухотрубного теплообмінного апарата 

    В поверхневих теплообмінниках обидва теплоносії розділено стінкою і  теплота передається через стінку від одного теплоносія до іншого.

    Поверхневі  теплообмінники — найпоширеніші.

    Кожухотрубні  теплообмінники застосовуються тоді, коли потрібна велика поверхня теплообміну, тобто для випаровування і  конденсації теплоносіїв в різних технологічних процесах, а також  для нагрівання і охолоджування  рідин і газів. В більшості  випадків пара (гарячий теплоносій) вводиться в міжтрубний простір, а рідина, що нагрівається, протікає по трубах. Забруднені потоки (наприклад, запорошені гази або суспензії) слід направляти в трубки, а не в міжтрубний простір (оскільки трубки легше очищати).

    Кожухотрубчатий теплообмінник (рис. 1.5) є апаратом, що складається з пучка труб 4, жесткозакріплених в трубних гратах 3 і обмежених кожухом 1 і кришками 2 з штуцерами. Кришки і труби утворюють трубний простір, а між кожухом і зовнішньою поверхнею труб є міжтрубний простір.

    Трубний і міжтрубний простори, по яких рухаються  теплоносії, розділені між собою  поверхнею теплообміну, причому  кожне з них може бути поділений  перегородками на декілька ходів (на рис. 1.6 зображений багатоходовій теплообмінник, який має два ходи по трубному простору). Перегородки встановлюються з метою збільшення швидкості руху теплоносіїв і інтенсивності теплообміну. В цих апаратах за допомогою перегородок в кришках труби діляться на секції, які послідовно проходить рідина. Число труб в секціях однаково. В багатоходовому теплообміннику в порівнянні з одноходовим тій же поверхні швидкість і коефіцієнт тепловіддачі зростають відповідно числу ходів.

 

    

 

    Рис. 1.5. Кожухотрубний теплообмінник:

    1—кожух; 2 — кришка; 3 —трубні грати; 4—труби.

    

    Рис. 1.6. Двоходовий (по трубному простору) кожухотрубний теплообмінник. 

    Для підвищення коефіцієнта тепловіддачі з боку рідини, що рухається в  міжтрубному просторі, в ньому  також встановлюються перегородки. Перегородки можуть бути подовжніми (рис. 1.7) і поперечними (рис. 1.8). Розрізняють наступні поперечні перегородки (рис. 1.9): сегментні, секторні, кільцеві. Найбільше розповсюдження отримали сегментні перегородки.

 

    

 

    Рис. 1.7. Двоходовий (по міжтрубному простору) кожухотрубний теплообмінник. 

    

 

    Рис. 1.8. Кожухотрубний теплообмінник з поперечними перегородками в міжтрубному просторі. 

    

 

    Рис. 1.9. Схеми поперечних перегородок  трубного пучка:

    а - сегментні; б — секторні; в— кільця і диски; г — сплошні диски з отворами (на 1,5—2 мм більше зовнішнього діаметра труб).

 

     В горизонтальних теплообмінниках  ці перегородки є одночасно проміжними опорами для труб.

    Спосіб  з'єднання труб в трубних гратах визначається властивостями матеріалів, вживаних для даної конструкції. Труби в трубних гратах закріплюють (рис. 1.10) розвальцьовуванням, зваркою, паянням і т.д. Частіше використовують розвальцьовування. Іноді труби кріплять за допомогою роз'ємних сальникових пристроїв, що допускають вільне подовжнє переміщення труб.

    Розміщення  труб в гратах здійснюється по периметрах правильних шестикутників (рис. 1.11, а), по концентричних колах (рис. 1.11, б) і по вершинах квадратів (рис. 1.11, в).

      
 
 
 
 
 
 

    Рис. 1.10. Закріплення труб в трубних  гратах:

    а—  завальцюванням; б — зварюванням; в— паянням.

      
 
 
 
 
 
 
 

    Рис. 1.11. Розміщення труб в гратах кожухотрубчатых  теплообмінників:

     а — по периметрам правильних шестикутників; б — по концентричним колам; в — по вершинам квадратів 

    Найбільш  часто труби розміщують по периметрах правильних шестикутників. Число труб в трубних гратах розраховується по рівняннях.

    Діаметр труб і крок трубного пучка (відстань між осями сусідніх труб) істотно  впливають на компактність і масу теплообмінника. Для стандартних  труб із зовнішнім діаметром d_н — 16; 20; 25; 38,5 мм, розміщені по периметрах правильних шестикутників, приймають крок, рівний при розвальцьовуванні 1,3 - 1,6 d_H, при зварюванні — 1,25 d_H.

    Кожухотрубні  теплообмінники розташовуються вертикально  або горизонтально.

    При різниці температур між теплоносіями понад 50 °С виникають температурні напруги, які можуть перевищити межу міцності матеріалу; в результаті, з'являється  нещільність, порушується герметичність.

    Для компенсації неоднакового подовження труб і корпусу апарату використовують теплообмінники з лінзовими компенсаторами, з плаваючою головкою, з U - подібними трубами, а також теплообмінники з сальниковими пристроями (рис. 1.12).

    

 

    Рис. 1.12. Кожухотрубний теплообмінник з сальниковим пристроєм для компенсації неоднакового подовження труб і корпусу 

    Найбільш  поширені апарати з лінзовими компенсаторами, які застосовуються, коли температурні деформації не перевищують 10—15 мм, а умовний тиск не перевищує 2,5 МПа. Лінзові компенсатори (рис. 1.13) вварюются між обичайками кожуха. Розрізняють наступні види лінзових компенсаторів: тарельчаті, торові, трапецеїдальні.

    

    Рис. 1.13. Лінзові компенсатори:

    а —тарільчастий; б — торовий; в— трапецеїдальний. 

    Кожухотрубні  теплообмінники з плаваючою головкою (рис. 1.14) застосовують для нагріву або охолоджування рідких і газоподібних середовищ в межах робочих температур від мінус 30 °С до плюс 450 °С і умовного тиску 1,6— 6,4 МПа в трубному або міжтрубному просторі. Рухомі трубні грати дозволяють трубному пучку вільно переміщатися незалежно від корпусу. Крім того, трубні пучки легко виймаються з корпусу для ремонту, чищення або заміни.