ОБОРУДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ

Расчеты кожухотрубчатых теплообменников

К числу технологических расчетов кожухотрубчатых теплообменников отно­сятся тепловой и гидравлический расчет. Методика теплового расчета предусмат­ривает:

1. Определение тепловых сопротивлений слоев загрязнений и выбор схемы движения теплоносителей, см. приложение Б.

2. Определение конечных температур теплоносителей для каждого из реали­зуемых процессов (из уравнений тепловых балансов), их средних температур, сред­ней разности температур.

3. Определение теплофизических характеристик теплоносителей при средних температурах.

4. Выбор параметров теплообменных труб: материал (и его теплопроводность), наружный диаметр (20 или 25 мм) и толщина стенки (2 мм).

5. Выбор режима движения теплоносителей в трубном и межтрубном про­странстве (предпочтительнее турбулентный), определение их минимально допусти­мых скоростей (wmin) по значению критерия Рейнольдса и максимально возможной площади сечения трубного /) и межтрубного (4т) пространства (f = G/p(tc)/wmin).

6. Подбор стандартного теплообменника, у которого значения/ и/мт не пре­вышают рассчитанных (если это возможно), см. приложение Б; пересчет значений скоростей теплоносителей в трубном и межтрубном пространстве.

7. Определение коэффициентов теплоотдачи от теплоносителей для каждого из реализуемых процессов. Проще всего составить и решить систему уравнений соот­ветствия тепловых потоков:

а1'((с 4гі) а2'(4г2 4сХ

а1’((с — 4ті) [или а2'(^ст2 — 4с)] = (4т1 — tст2)'1ст/dст, где ґсг1, ґст2 - температуры стенки со стороны теплоносителей;

(с, ґ2с - средние температуры теплоносителей.

Решение этой системы - значения /сг1, /сг2, по которым далее определяются значения a1,a2.

Ориентировочные значения коэффициентов теплоотдачи, Вт/(м2К):

- турбулентное течение воды в трубах 1000 - 5500,

- турбулентное течение воды снаружи труб 3000 - 10000,

- турбулентное движение газов в трубах 50 - 150,

- турбулентное движение газов снаружи труб 100 - 300,

- ламинарное течение воды в трубах 300 - 430,

- ламинарное движение газов в трубах 10 - 20,

- свободная конвекция воды 300 - 900,

- свободная конвекция газов 3 - 10,

- кипение воды 2000 - 24000,

- конденсация водяного пара 900 - 15000,

- кипение органических жидкостей 500 - 15000,

- конденсация паров органических жидкостей 300 - 12000.

8. Определение коэффициентов теплопередачи и тепловых нагрузок аппаратов для каждого реализуемого процесса.

9. Расчет необходимой поверхности теплообмена и ее сравнение с возможными значениями для выбранного теплообменника (при различном числе ходов по труб­ному пространству и длине труб).

10. Если ни один из стандартных теплообменников не обеспечивает требуемой поверхности, необходимо выбрать один из них и определить их необходимое коли­чество.

Целью гидравлического расчета является определение гидравлических сопро­тивлений его трубного и межтрубного пространства, определение мощности насо­сов и газодувок, используемых для транспортировки теплоносителей через аппарат.

Без учета неизотермичности потока общее сопротивление трубного простран­ства (рисунок 3.12) Дрт = Др1 + 2-(Др2 + Др^. + Др3) + Др4 + {Др5}, межтрубного Дрм = Дрб + (///п)-Др™ + (///и - 1)-Др7 + Др8.

Здесь учтены следующие потери давления:

Дрі, Др4 - при входе и выходе потока из распределительной камеры;

Др2, Др3 - при входе и выходе потока из труб;

Др6, Др8 - при входе и выходе потока из межтрубного пространства;

Дртг, Дртм - на трение в трубах и межтруб­ном пространстве;

Др5 - при повороте труб на 180о (в аппара­тах типа У);

Др7 - на огибание потоком перегородки.

В этих формулах z - число ходов теп­лоносителя по трубам, l - длина труб, 1п - расстояние между перегородками.

Потери давления в местных сопротив­лениях Др, = Zi-(p-w,2/2), і = і,...,8, где р - плотность теплоносителя, Wі - скорость потока в узком сечении рассматриваемого участка (ориентировочное значение услов­ного прохода штуцера йш = 0.3 - D 0 86), Q - коэффициент местного сопротивления (даются в справочниках). Потери на тре­ние:

- Дртг = 1т-(l/d)-(p-w^1/2), где w,. - скорость потока в трубах, 1т - коэффи­циент трения в трубах:0.64/^ет при Яет < 2300, 0.316/Лет025 при Яет > 2300);

- Дртм = ^-(p-w,/^), где w„ - скорость потока в узком сечении межтруб­ного пространства, 1м - коэффициент трения в межтрубном

пространстве: (4+2.31-D/dн)/Reм028 для "шахматного" расположения труб,

(5.4+1.054 - D/dн)/Reм028 - для "коридорного".

Мощность, затрачиваемая на преодоление сопротивления трубного или меж­трубного пространства (Др) N = V-Др/р, где V - объемный расход теплоносителя, р - к. п. д. машины, создающей напор.

Методика механических расчетов кожухотрубчатых теплообменников регла­ментирована ОСТ 26.1185-81. Сюда входят расчеты кожуха и труб на прочность и устойчивость, определение необходимой толщины трубной решетки, толщины стенки и числа линз компенсатора, проверка условия прочности кожуха в месте присоединения решетки, а также условия прочности крепления труб.