Расчет кожухотрубчатых теплообменников (алгоритм)

Кожух; 2-перегородки; I и II - теплоносители

Многоходовой кожухотрубчатый теплообменник

Крышки; 2-перегородки в крышках; I и II-теплоносители.

Многоходовые кожухотрубчатые теплообменники (по трубному пространству), жесткая конструкция.

а-двухходовой; б- четырехходовой

В межтрубном пространстве также устанавливаются сегментные перегородки.

(по межтрубному пространству):

Мы рассмотрели жесткие конструкции кожухотрубчатых теплообменников, которые используются, если разность температур кожуха и труб не превышает 25-30˚С. При больших Δt возникают температурные напряжения, которые могут привести к разрушению теплообменника. Поэтому при Δt >30˚С применяются теплообменники с различными компенсаторами. Например, используется теплообменник с «плавающей головкой», в котором одна из трубных решеток не соединена с кожухом и свободно перемещается. Используют также теплообменники с линзовым компенсатором на кожухе, теплообменник с U- образными трубами и другие.

Кожухотрубчатые теплообменники с компенсацией неодинаковости температурных удлинений труб и кожуха:

а-теплообменник с линзовым компенсатором (полужесткая конструкция); б-аппарат с плавающей головкой;

в-аппарат с U-образными трубами;

1-кожухи; 2-трубы; 3-линзовый компенсатор; 4-плавающая головка; I и II - теплоносители

Очень важным является скорость движения теплоносителя. При увеличении скорости возрастает интенсивность теплообмена, но и увеличивается гидравлическое сопротивление. Оптимальный режим работы соответствует развитому турбулентному режиму (т.е. скорость ≈ 0,1-2 м/с для жидкости).

Двухтрубные теплообменники (типа «труба в трубе»). Эти теплообменники представляют собой батарею из элементов, каждый из которых состоит из внешней и внутренней трубы (рис.).

Теплообмен осуществляется через стенку внутренней трубы. В данном виде теплообменника достигается высокая скорость теплоносителей и высокая интенсивность теплообмена. Но они громоздки и металлоемки.

Змеевиковые теплообменники - в них теплообменный элемент –змеевик, - это труба, согнутая каким-либо образом помещается в жидкость, другая жидкость движется внутри трубки. Недостаток: имеет большое гидравлическое сопротивление, трудность очистки.

Спиральные теплообменники - компактны, но сложны в изготовлении.

Оросительные теплообменники - просты, но громоздки, α невысоки.

Пластинчатые – поверхность образуется гофрированными параллельными пластинами.

Оребренные теплообменники - применение оребрения позволяет увеличить тепловые нагрузки аппарата.

Для повышения скорости движения в межтрубном пространстве аппарата без применения сегментных перегородок, которые затрудняют очистку аппарата, используют элементные теплообменники. Каждый элемент – это простейший кожухотрубчатый теплообменник. Элементные теплообменники допускают значительный избыток давления в межтрубном пространстве. Но громоздки и дороги.

Выбирая теплообменник, нужно учитывать ряд требований (тепловую нагрузку аппарата, температуры, давление, агрегатное состояние теплоносителей, физико-химические свойства теплоносителей, агрессивность, возможность загрязнения и т.д.), а также простоту, компактность, металлоемкость и другие технико-экономические показатели. Обычно ни одна из конструкций не в состоянии удовлетворить всем требованиям.

В одноходовых теплообменниках – можно получать достаточно высокие скорости в трубах только при высоких объемных расходах среды. Поэтому эти аппараты используются, когда интенсивность теплообмена определяется величиной коэффициента теплоотдачи α в межтрубном пространстве.

Многоходовые теплообменники применяются главным образом в качестве нагревателей жидкости (от пара) и конденсаторов, поскольку здесь смешанный ток не приводит к уменьшению Δt_ср по сравнению с противотоком.

1.Расчет тепловой нагрузки из уравнения теплового баланса.

2.Расчет средней разности температур и средних температур сред.

3.Расчет расхода второго теплоносителя.

4.Определение числа труб n по заданному Re ~10000 из условия

5.Первый подбор теплообменника по n и ориентировочному значению F (по табличному К).

6.Уточнение Re и расчет α при tсред.

7.Расчет К по рассчитанным α.

8.Уточнение Re, F и выбор теплообменника.

9.Расчет α при температуре стенки методом последовательных приближений.

10.Расчет F по точному К и выбор теплообменника.