Расчет кожухотрубного теплообменника

Ребристые теплообменники

Ребристые теплообменники применяют для увеличения теплообменной поверхности оребрением с той стороны, которая характеризуется наибольшими термическими сопротивлениями. Ребристые теплообменники (калориферы) используют, например, при нагревании паром воздуха или газов. Важным условием эффективного использования ребер является их плотное соприкосновение с основной трубой (отсутствие воздушной прослойки), а также рациональное размещение ребер.

Ребристые теплообменники широко применяют в сушильных  установках, отопительных системах и  как экономайзеры.

Спиральные  теплообменники

В спиральных теплообменниках  поверхность нагрева образуется двумя тонкими металлическими листами, приваренными к разделительной перегородке (керну) и свернутыми в виде спиралей. Для придания листам жесткости и  прочности, а также для фиксирования расстояния между спиралями к листам с обеих сторон приварены дистанционные бобышки. Спиральные каналы прямоугольного сечения ограничиваются торцовыми крышками. Уплотнение каналов в спиральных  теплообменниках осуществляют различными способами. Наиболее распространен способ, при котором каждый канал с одной стороны заваривают, а с другой уплотняют плоской  прокладкой. При этом    предотвращается смешение теплоносителей, а в случае неплотности прокладки наружу может просачиваться только один из теплоносителей. Кроме того, такой способ уплотнения дает возможность легко чистить каналы.Если материал прокладки разрушается одним из теплоносителей, то один канал заваривают с обеих сторон (“глухой” канал), а другой уплотняют плоской прокладкой. При этом “глухой" канал недоступен для механической очистки.Уплотнение плоской прокладкой обоих открытых (сквозных) каналов применяют лишь в тех случаях, когда смешение рабочих сред (при нарушении герметичности) безопасно и не вызывает порчи теплоносителей.Сквозные каналы также можно уплотнить, при более или менее постоянном давлении в каналах, спиральными U-образными манжетами, прижимаемыми силой внутреннего давления к выступам в крышке.Спиральные теплообменники отличаются компактностью, малыми гидравлическими сопротивлениями и значительной интенсивностью теплообмена при повышенных скоростях теплоносителей.Недостатки спиральных теплообменников — сложность изготовления и ремонта, невозможность применения их при давлении рабочих сред свыше 10 кгс/см².

Рис.5 Спиральный теплообменник

 

Пластинчатые  теплообменники

В последнее  время распространены пластинчатые разборные теплообменники, отличающиеся интенсивным теплообменом, простотой  изготовления, компактностью, малыми гидравлическими  сопротивлениями, удобством монтажа и очистки от загрязнений.

Эти теплообменники состоят из отдельных пластин, разделенных резиновыми прокладками, двух концевых камер, рамы и стяжных болтов.Пластины штампуют из тонколистовой стали (толщина 0,7 мм). Для увеличения поверхности теплообмена и турбулизации потока теплоносителя проточную часть пластин выполняют гофрированной или ребристой, причем гофры могут быть горизонтальными или расположены “в елку” (шаг гофр 11,5; 22,5; 30 мм; высота 4—7 мм).

К пластинам  приклеивают резиновые прокладки круглой и специальной формы для герметизации конструкции; теплоноситель направляют либо вдоль пластины, либо через отверстие в следующий канал.

Движение теплоносителей в пластинчатых теплообменниках  может осуществляться прямотоком, противотоком и по смешанной схеме. Поверхность теплообмена одного аппарата может изменяться от 1 до 160 м², число пластин—от 7 до 303.

В пластинчатых теплообменниках температура теплоносителя  ограничивается 150°С (с учетом свойств  резиновой прокладки), давление не должно превышать 10 кгс/см².

                                   

Рис.6 Пластинчатый теплообменник 
 

Графитовые  теплообменники

Эти теплообменники составляют отдельную группу. Высокая  коррозионная стойкость и значительная теплопроводность делают графит незаменимым  в некоторых производствах. Промышленностью выпускаются блочные, кожухотрубчатые, оросительные теплообменники и погружные теплообменные элементы.

Блочный графитовый теплообменник представляет собой  один или несколько прямоугольных  или цилиндрических блоков, имеющих две системы непересекающихся, перпендикулярных отверстий, создающих перекрестную схему движения теплоносителей. Каждая система отверстий имеет графитовые крышки для ввода и вывода рабочих сред. На крышки накладывают металлические плиты и систему стягивают болтами, создавая в графите наименее опасные напряжения сжатия.

                                                       

Рис.7 Графитовые теплообменники

 

2.3.Регенеративные теплообменники

  В регенеративных поверхностных теплообменниках теплоносители (горячий и холодный) контактируют с твердой стенкой поочерёдно. Теплота накапливается в стенке при контакте с горячим теплоносителем и отдаётся при контакте с холодным.

2.4.Смесительные теплообменники

Смесительный теплообменник (или контактный теплообменник) — теплообменник, предназначенный для осуществления тепло- и массообменных процессов путем прямого смешивания сред (в отличие от поверхностных теплообменников). Наиболее распространены пароводяные струйные аппараты ПСА — теплообменники струйного типа, использующие в своей основе струйный инжектор. Смесительные теплообменники конструктивно устроены проще, нежели поверхностные, более полно используют тепло.

 Однако, пригодны они лишь в случаях, когда по технологическим условиям производства допустимо смешение рабочих сред.

  Большое применение контактные теплообменники находят в установках утилизации тепла дымовых газов, отработанного пара и т.п.

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Физические свойства воды.

1. Плотность  воды. В физике плотность неоднородной сплошной среды — предел отношения массы вещества этой среды m к объему V, в котором она заключена:

2. Сжимаемостью жидкости (воды) называется свойство уменьшения объема под влиянием повышения внешнего давления. Величиной, обратной сжимаемости, является объемная упругость. Сжимаемость характеризуется коэффициентом сжимаемости β, который равен отношению относительного изменения объема жидкости V к изменению давления P и определяется по формуле

3. Теплоемкость — это количество теплоты, поглощаемой телом при нагревании его на 1 °С. Определяется она по формуле

C = dQ/dt     или       C = Q/Δt

где dQ — бесконечно малое количество теплоты, вызвавшее  бесконечно малое повышение температуры dt; Δt = t2 - t1 — изменение температуры  тела, происходящее в результате подвода  к нему количества теплоты Q; t1 и t2 — температура тела до и после подвода к нему теплоты.

Характеристикой теплоемкости вещества принята удельная теплоемкость — отношение теплоемкости тела к его массе:

c = C/m    или      c = Q/(m Δt)

4. Удельная теплоемкость воды — это количество теплоты, необходимое      для нагревания 1кг дистиллированной воды на 1°С в пределах 14,5 -15,5°С. Удельная теплоемкость воды слабо зависит от температуры, поэтому в практических расчетах ее значение может быть принято постоянным, равным 4,2 кДж/(кг·°С).

 Температуропроводность — физический параметр вещества и, в частности, воды, способствующий передаче теплоты таким образом, что температура в каждой точке стремится к соответствующему в данный момент установившемуся состоянию. Характеристикой температуропроводности является коэффициент температуропроводности a = λ/(cρ), где λ — коэффициент теплопроводности. Коэффициент температуропроводности воды слабо зависит от температуры: при температуре, равной 0 и 10°С, a соответственно равно 0,485·10-3 и 0,504·10-3 м2ч.

   Вязкость. Вязкость есть физическое свойство вещества (жидкости, газа, твердого тела) оказывать сопротивление перемещению одной его части относительно другой. Вязкость является одним из главных свойств воды. Различают объемную и тангенциальную вязкость. Под объемной вязкостью понимают способность жидкости воспринимать растягивающие усилия. Этот вид вязкости воды проявляется, например, при распространении в ней звуковых и особенно ультразвуковых волн. Тангенциальная вязкость характеризует способность жидкости оказывать сопротивление сдвигающим усилиям.

По закону Ньютона, силы внутреннего трения пропорциональны  градиенту скорости по нормали и  площади, на которую они действуют. Относя силу внутреннего трения к  площади, равной единице, получаем касательное напряжение в жидкости. Оно определяется по формуле

                                                 τ = μ dυ/dn

Динамический  коэффициент вязкости воды в сильной  степени зависит от температуры, но почти не зависит от давления. Значение этого коэффициента для пресной воды, полученное опытным путем для

t°С = 0°С, μ = 1,793·103 Па·с. При расчете динамического  коэффициента вязкости применяют  эмпирическую формулу Пуазейля:

μ = 0,000183/(1 + 0,0337t + 0,000221t2),

          где t — температура воды.

 

4. Теплотехнические расчёты

Для обоснований  геометрических размеров должен быть выполнен расчет. В задачу расчета  входят тепловой, тепловой поверочный, гидравлический расчёты.

4.1.Тепловой расчёт

      Исходные данные:

• Наружный диаметр трубок: ;
• Внутренний диаметр трубок: ;
• Температура на входе греющего теплоносителя:  ;
• Среднее давление греющего теплоносителя: ;
• Объёмный расход греющего теплоносителя: ;
• Температура на входе нагреваемого теплоносителя: ;
• Температура на выходе нагреваемого теплоносителя: ;
• Среднее давление нагреваемого теплоносителя: ;
• Объёмный расход нагреваемого теплоносителя: ;
• Средняя теплопроводность материала в диапазоне 100÷150  ⁰ С:     (материал 08Х18Н10);
• Мощность теплового потока: ;

        Результаты расчёта:

Теплофизические параметры нагреваемого теплоносителя:

• плотность: ;
• энтальпия: ;
• теплопроводность: ;
• критерий Прандтля: ;
• кинематическая вязкость: ;
• теплоёмкость: ;

Определяем  расход теплоты на нагревание продукта:

      Средняя температура греющего теплоносителя T:

      Теплофизические параметры греющего теплоносителя:

плотность: ;

энтальпия: ;

теплопроводность: ;

критерий Прандтля:

кинематическая  вязкость: ;

     теплоёмкость: ;

Объёмный расход греющей воды в СИ: ;

Объёмный расход нагреваемой воды в СИ: ;

Задаёмся скоростью  течения жидкости из условия ω_min=1,5 м/сек для воды в пучке из труб: ;

Отсюда, площадь  проходного сечения для нагреваемой среды:

F₂= V₂/ω₂=0,0008263/2,914=0,0002809 м²;

Т.к. у нас  выбраны трубы 22*1,5 мм, тогда определяем число трубок в одном ходу не более: ;

Задаёмся числом трубок в одном ходу: ;

Уточняем скорость нагреваемой среды:

;

Определяем  критерий Рейнольдса для нагреваемой  среды в трубках:

;

     Определяем критерий Нуссельта (Re=10⁴÷10⁶; Pr=0,6÷200):

процесс нагревания                      n=0,11

поправка на тепловой процесс    E_m=1,0022248

поправочный коэффициент         ξ=0,0156391

       Коэффициент теплоотдачи от стенки к нагреваемой среде:

;

        Задаёмся числом ходов теплообменного аппарата: ;

     Определяем шаг труб по расположению в треугольник (по табличным данным в соответствии с нормалями НИИХИММАШа и способа крепления [17,18]):

     S = 0,03 м – для сальниковых уплотнений, зависит от d_нар можно поменять    S=d_нар+9мм для припаянных или приваренных трубок S=1,25d_нар;

    Далее по тому же источнику определяем отношение D’/S:

    D’/S= 4 – по табличным данным зависит от количества труб в одном теплообменнике;

Определяем  диаметр шестиугольника по вершинам которого располагаются трубы: D’= 0,12 м;

     Отсюда внутренний диаметр кожухотрубного теплообменника (из условия ближайший больший и доступный на рынке диаметр трубы):

D_внтр=0,209м;

     Площадь поперечного сечения, занимаемое трубками:

ΣF_тр=n_х*(π_*d_нар²/2)=18_*(π_*0,022²/2)=0,0068424 м²;

     Площадь внутреннего сечения кожуха:

F_D=π_*D_внтр²/2=0,034307 м²;

     Площадь пролётного сечения для греющей воды:

F₁= F_D - ΣF_тр =0,0274646 м²;

     Находим омываемый периметр:

Р=π_*D_внтр+(n_0*n_х)_*π_*d_нар= 1,9006636 м;

     Средняя скорость течения греющей среды:

ω₁=V₁/F₁=0,0025/0,0274646=0,0910263 м/с;

    Средний омываемый диаметр пролётного сечения или эквивалентный диаметр:

d_Э=4_*F₁/P=4_*0,0274646/1,9006636=0,0578 м;