Расчет кожухотрубного теплообменика

Существует много видов теплообменных аппаратов для примера рассмотрим разновидности элементных теплообменников.

Элементные теплообменники состоят из последовательно соединенных элементов - секций. Сочетание нескольких элементов с малым числом труб соответствует принципу многоходового кожухотрубного аппарата, работающего на наиболее выгодной схеме - противоточной. Элементные теплообменники эффективны в случае, когда теплоносители движутся с соизмеримыми скоростями без изменения агрегатного состояния. Их также целесообразно применять при высоком давлении рабочих сред. Отсутствие перегородок снижает гидравлические сопротивления и уменьшает степень загрязнения межтрубного пространства. Однако по сравнению с многоходовыми кожухотрубными теплообменниками элементные теплообменники менее компактны и более дороги из-за увеличения числа дорогостоящих элементов аппарата - трубных решеток, фланцевых соединений, компенсаторов и др. Поверхность теплообмена одной секции применяемых элементных теплообменников составляет 0,75--30 м 2, число трубок - от 4 до 140.

Теплообменники типа "труба в трубе"

Простейшим видом секционного теплообменника является конструкция "труба в трубе". Теплообменники этого типа состоят из ряда последовательно соединенных звеньев. Каждое звено представляет собой две соосные трубы.

Рисунок 1.1 - Элементный теплообменник типа "труба в трубе"

Для удобства чистки и замены внутренние трубы обычно соединяют между собой "калачами" или коленами. Двухтрубные теплообменники, имеющие значительную поверхность нагрева, состоят из ряда секций, параллельно соединенных коллекторами.

Если одним из теплоносителей является насыщенный пар, то его, как правило, направляют в межтрубное (кольцевое) пространство. Такие теплообменники часто применяют как жидкостные или газожидкостные. Подбором диаметров внутренней и наружной труб можно обеспечить обеим рабочим средам, участвующим в теплообмене, необходимую скорость для достижения высокой интенсивности теплообмена.

Преимущества:

1) высокий коэффициент теплоотдачи;

2) пригодность для нагрева или охлаждения сред при высоком давлении;

3) простота изготовления, монтажа и обслуживания.

Недостатки двухтрубного теплообменника:

1) громоздкость;

2) высокая стоимость вследствие большого расхода металла на наружные трубы, не участвующие в теплообмене;

3) сложность очистки кольцевого пространства.

Витые теплообменники

Поверхность нагрева витых теплообменников компонуется из ряда концентрических змеевиков, заключенных в кожух и закрепленных в соответствующих головках. Теплоносители движутся по трубному и межтрубному пространствам. Витые теплообменники широко применяют в аппаратуре высокого давления для процессов разделения газовых смесей методом глубокого охлаждения. Эти теплообменники характеризуются способностью к самокомпенсации, достаточной для восприятия деформаций от температурных напряжений.

Рисунок 1.2 - Витой теплообменник

Преимущества:

1) восприимчивы к высоким температурам и давлению;

2) устойчивы к деформации.

Недостатки: низкая теплопередача.

Оросительные теплообменники

Оросительные теплообменники представляют собой ряд расположенных одна над другой прямых труб, орошаемых снаружи водой. Трубы соединяют сваркой или на фланцах при помощи "калачей". Оросительные теплообменники применяют главным образом в качестве холодильников для жидкостей и газов или как конденсаторы. Орошающая вода равномерно подается сверху через желоб с зубчатыми краями. Вода, орошающая трубы, частично испаряется, вследствие чего расход ее в оросительных 12 теплообменниках несколько ниже, чем в холодильниках других типов.

Рисунок 1.6 - Оросительный теплообменник

Оросительные теплообменники - довольно громоздкие аппараты; они характеризуются низкой интенсивностью теплообмена, но просты в изготовлении и эксплуатации.

Ребристые теплообменники

Многие химические установки генерируют большое количество вторичного тепла, которое не регенерируется в теплообменниках и не может быть повторно использовано в процессах. Данное тепло выводится в окружающую среду и поэтому существует необходимость минимизировать возможные последствия. Для этих целей применяют различные типы охладителей. Конструкция охладителей с ребристыми трубами состоит из ряда ребристых труб, внутри которых течет охлаждаемая жидкость. Наличие ребер, т.е. ребристость конструкции, значительно увеличивает поверхность охладителя. Ребра охладителя обдувают вентиляторы. Данный тип охладителей используется в случаях, когда отсутствует возможность забора воды для целей охлаждения: например, на месте монтажа химических установок. Ребристые теплообменники применяются в аппаратах воздушного охлаждения при транспорте природного газа.

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 14 образными манжетами, прижимаемыми силой внутреннего давления к выступам в крышке.

Преимущества:

1) компактность размеров;

2) небольшое гидравлическое сопротивление;

3) высокая интенсивность теплового обмена.

Недостатки:

1) сложность изготовления;

2)сервис и ремонт;

3)неприемлемы для высоких давлений.

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". 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 м 2, 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/см 2. К достоинствам данного типа аппаратов принято относить интенсивность теплообменного процесса, компактность, а также возможность полного разбора агрегата с целью очистки. К недостаткам причисляют необходимость скрупулезной сборки для сохранения герметичности. Кроме того, минусами такой конструкции является склонность к коррозии материалов, из которых изготовлены прокладки и ограниченная тепловая стойкость.

Рисунок 1.6 - Пластинчатый теплообменник

В случаях, когда возможно загрязнение поверхности нагрева одним из теплоносителей, используют агрегаты, конструкция которых состоит из попарно сваренных пластин. Если загрязнение нагреваемой поверхности исключено со стороны обоих теплоносителей, применяются сварные неразборные теплообменные аппараты.

Преимущества:

1) малые площади, занимаемые теплообменным оборудованием;

2) возможность работы при малых температурных напорах;

3) медленный рост отложений;

4) низкие потери давления (снижение расхода электроэнергии на электрические насосы);

5) низкие трудозатраты (сроки) при ремонте и оборудовании.

Недостатки:

1) сравнительно высокая себестоимость;

2) узкий диапазон рабочих давлений и температур;

3) дорогостоящее оборудование для обслуживания и ЗИП;

4) квалифицированный обслуживающий персонал.

Кожухотрубный теплообменник

Основными элементами кожухотрубных теплообменников являются пучки труб, трубные решетки, корпус, крышки, патрубки. Концы труб крепятся в трубных решетках развальцовкой, сваркой и пайкой (рисунок 1.7). Трубки подгоняются к двум трубным решеткам посредством вальцевания или сварки. Трубки, составляющие пучок, располагаются в шахматном порядке, по вершинам равностороннего треугольника. Крышки являются съемными и предназначены для входа и выхода теплоносителя, который течет по трубам. Межтрубное и трубное пространство разделяются.

Рисунок 1.7 - Конструкция кожухотрубчатого теплообменника

Второй теплоноситель находится в межтрубном пространстве, которое также имеет входной и выходной штуцеры. Для удобства очистки, по трубам течет то вещество, которое содержит твердые включения.

Кожухотрубные теплообменники относятся к виду рекуперативных и делятся на подвиды по направлению движения теплоносителя и могут быть:

1) прямоточными;

2) противоточными;

3) перекрестноточными.

Такие агрегаты производятся в основном из высокопрочной стали, так как теплообменники работают, как правило, в особо агрессивной среде, способствующей появлению коррозии. Чтобы удовлетворить потребность во всех сферах использования кожухотрубных теплообменников, их выпускают в нескольких исполнениях:

1) с U-образными трубками;

2) с неподвижными трубками;

3) с плавающей головкой;

4) температурным кожуховым компенсатором.

Также делят теплообменники и по способу установки: горизонтальные, вертикальные и наклонные кожухотрубные теплообменники. Принцип работы таких агрегатов можно описать следующим образом. Через подводящий патрубок в межтрубное пространство подается теплоноситель (горячее вещество), по тонким латунным трубкам (трубная система) движется холодное вещество (нагреваемое). В процессе теплообмена горячее вещество отдает свое тепло и через выводящий патрубок выводится из кожуха. Для более равномерного и эффективного нагрева холодное вещество может совершать до 12-ти ходов по трубной системе.

Кожухотрубные теплообменники последнее время пользуются большим спросом в химической, машиностроительной, газовой, нефтеперерабатывающей и пищевой промышленностях, их используют в качестве конденсаторов, подогревателей, охладителей и испарителей различных видов. Такой выбор совсем неслучайный - кожухотрубные теплообменники имеют ряд весомых преимуществ. Основными достоинствами, наверное, являются высокая устойчивость к гидроударам и возможность работы в условиях сильно загрязненных сред. Многие подобные агрегаты такими характеристиками не обладают, большинство из них в агрессивных средах работают нестабильно. К примеру, пластинчатые теплообменники способны работать только в чистых средах. Еще одним немаловажным преимуществом является высокий уровень эффективности, сравнимый только с показателями пластинчатых теплообменников.

Преимущества кожухотрубного теплообменника:

1) самый широкий диапазон применения по рабочим параметрам;

2) самые низкие требования к чистоте воды;

3) более высокая стойкость к гидроударам;

4) относительная простота конструкции и дешевизна.

Недостатки:

1) температурные деформации;

2) относительно низкий коэффициент теплопередачи.

В зависимости от назначения кожухотрубные аппараты могут быть теплообменниками, холодильниками, конденсаторами и испарителями. Их изготовляют одноходовыми и многоходовыми. Основные параметры и размеры стальных кожухотрубных теплообменных аппаратов, применяемых для теплообмена жидких и газообразных сред при температуре от -60 до +600°С (по ГОСТ 9929-82), приведены на рисунке 1.8 стальных кожухотрубных теплообменных аппаратов.

Рисунок 1.8 - Основные параметры кожухотрубных теплообменных аппаратов

2. Тепловой и материальный расчет

2.1. Температурный режим аппарата

Для расчета температурного режима аппарата потребуются справочные данные, которые представлены в таблице 1.

Таблица 2

В качестве теплоносителя используется пар имеющий следующие параметры:

Начальная температура пара t1 = 150С, начальная температура воды t2н=67 єС, температура кипения воды при давлении равном 2 атм t2к = 120,6 єС.

Дtб 2= t1н - t2к =150-120,6=29,4 єС

Дtм 2= t1н - t2н =150-67=83 єС

Средняя температура воды:

Дtср 2=(t2н+t2к)/2

Дtср 2 = (67+120,6)/2 =93,8 єС

Средняя разность температур:

?tср = (Дtм 2 - Дtб 2)/ln (Дtм 2-Дtб 2)

?tср = (83-29,4)/ln (93-29,4) = 19,35

Удельная теплоемкость водяного пара С 2= 4,27 кДж/кгК, отсюда мы можем рассчитать суммарную тепловую нагрузку в аппарате Q

G2=4000/3600=1,389 кг/с

Для процесса испарения G2 кг/с жидкости с начальной температурой t3 и начальной удельной теплоемкостью c2 потоком жидкости (газа) G1 кг/с с удельной теплоемкостью c1 начальной t1 и конечной t2 температурами получим:

Q = G1c1(t1- t2) = G2 (i2 - c2t3.)

Q=1,11(2710,6•103-4181,5•67)=2697 кВт

Из уравнения теплового баланса находим расход теплоносителя:

G1= 1,03Q/ r = 1,26 кг/с,

где r - удельная теплота конденсации водяного пара, Дж/кг при температуре t1 = 120,6°C, r=2207 кДж/кг

G1=1,03•2697/2207=1,26

2.2 Ориентировочный выбор теплообменника

Для ориентировочного определения максимальной поверхности теплообмена необходимо задаться коэффициентом теплопередачи. Согласно теории значение этого коэффициента, характеризующее теплообмен между конденсирующимся водяным паром и жидкостью, составляет Kмин = 800 Вт/(м 2 ·К). В этом случае максимальная поверхность теплообмена (Fмакс), м 2 составит:

Fмакс=Q/kмин Дtср

Fмакс=2697•103/800•19,35=36 м 2

Последовательность проведения расчетов при турбулентном режиме течения жидкости в трубном пространстве. При турбулентном режиме течения должно выполняется условие: Re ? 10 000. Таким образом, скорость движения жидкости в трубах должна быть больше ее предельного минимального значения (w2,т), м/с:

w = 10000 µ2/d2• с2,

где µ2 - динамический коэффициент вязкости жидкости, Па·с при температуре t2, с2 - плотность жидкости, кг/мі при температуре tср, d2 - внутренний диаметр труб, м.

Для расчетов можно выбрать трубы диаметром 25Ч2 мм. Тогда внутренний диаметр труб равен:

d2 = 25 - 2·2 = 21 мм,

µ2 =0,676·10-і Па·с,

с2 = 998 кг/мі,

w2= 10000 · 0,676 · 10-і / 0,021 · 998 = 0,323 м/с

Число труб на один ход теплообменника, необходимое для обеспечения турбулентного режима:

n?=V2/0,785•d22•w

Объемный расход жидкости (V), м 3 /с рассчитывается по формуле:

V2 = G2/ с2,

где с2=935 кг/м 3.

V2=1,11/935=0,0012 м 3/с

n?=0,0012/0,785•0,0212•0,323=11

Задаваясь условиями: n? < 11 шт. и Fмакс < 36 мІ выбран теплообменник, который имеет наиболее простое устройство и меньшую металлоемкость, одноходовой аппарат, теплообменник с поверхностью теплообмена F=33,7 м 2, при длине труб l=4 м, одноходовой, с диаметром кожуха 426 мм, трубками диаметром d=25Ч2 мм, n=9

2.3 Коэффициент теплоотдачи от стенки к воде

Перед проведением расчетов следует уточнить критерий Рейнольдса с учетом характеристики выбранного теплообменника:

Re= 10000·(n?/ n)

Re= 10000·(11/9) = 12222;

Критерий Прандтля для жидкости при температуре t2:

Pr2=c2µ2/л2,

где л2 - коэффициент теплопроводности жидкости, Вт/(м·К) при температуре tср, л2 = 0,26 Вт/(м·К)

Pr2=4,18•103•0,676•10-3/0,26=11,102

Режим движения турбулентный в этом случае критерий Нуссельта, Nu2 - критерий Нуссельта для воды:

Nu2= 0,021Re20,8Pr20,43(Pr2/Prст 2)0,25

Принимаем отношение (Pr2/Prст 2)0,25 = 1, тогда

Nu2 = 0,021122220,811,1020,43 =0,021•1860•2,815=109,95

Коэффициент теплоотдачи (б2,т), Вт/(м 2 ·К) для жидкости:

2 = Nu22/dвн,

где 2 = 0,26 Вт/мК - теплопроводность воды при tср,

В формулах все теплофизические характеристики жидкости следует определять при температуре кипения, соответствующей рабочему давлению: q - удельная тепловая нагрузка. Вт/м 2 ; у - коэффициент поверхностного натяжения, Н/м. Ткип - температура кипения жидкости, b - безразмерная функция, -кинематический коэффициент вязкости, м 2/с, - теплопроводность воды,

b=0,075+0,075(ж-п)2/3,

где сп - плотность пара, кг/ м 3, сж - плотность жидкости, кг/ м 3,

b=0,075+0,075(995-935)2/3=1,24,

где у=0,0589 Н/м, Ткип=120,6 єС, •106 м 2/с,=0,26

q=Q/F

q=2697•103/33,7=80,03 кВт/м 2

На основании данных следует принять тепловую проводимость загрязнений со стороны греющего пара - 1 /rзагр.1 = 5800 Вт/(м 2 ·К), со стороны жидкости - 1 /rзагр.2 = 5800 Вт/(м 2 ·К).

2.4 Коэффициент теплоотдачи от водяного пара к стенке