Расчёт и проектирование теплообменного аппарата

рис. 1

Наиболее эффективно использовать в кожухотрубчатых теплообменных аппаратах принцип противотока. В противоточном теплообменнике два теплоносителя движутся параллельно друг другу, но в противоположных направлениях. Противоточные теплообменники наиболее эффективны, поскольку обеспечивают наилучшее использование располагаемой разности температур, в них также может быть достигнуто наибольшее изменение температуры каждого теплоносителя [6].

 При этом охлаждаемую среду  можно направить сверху вниз, а нагреваемую — навстречу ей, или наоборот. Правильным является первый путь, так как он соответствует «естественному стремлению» обеих сред. Действительно, с понижением температуры плотность среды увеличивается, и она опускается вниз. Плотность нагреваемой среды по мере повышения температуры наоборот уменьшается, поэтому она выдавливается вверх [1].

Кожухотрубчатые теплообменные аппараты широко применяют в нефтяной, нефтехимической, химической, газовой и других отраслях промышленности для нагрева, охлаждения, конденсации и испарения жидкости, пара и их смесей.

По назначению кожухотрубчатые теплообменные аппараты делятся на теплообменники (Т), холодильники (Х), конденсаторы (К) и испарители (И); по конструкции – на аппараты с неподвижными трубными решетками (тип Н), с температурным компенсатором на кожухе (тип К), с плавающей головкой (тип П) и с U-образными трубами (тип У).

Теплообменники предназначены для нагрева и охлаждения различных сред с температурой теплообменивающих сред от -30 до +350 ºС (типы ТН и ТК) и от -30 до +450 ºС (типы ТП и ТУ); холодильники – для охлаждения различных жидких или газообразных сред пресной, морской водой или хладагентами с температурой охлаждаемой среды в кожухе от 0 до +300 ºС (типы ХН и ХК) и от 0 до +400 ºС (тип ХП) и температурой охлаждающей среды в трубах от -20 до +60ºС; конденсаторы – для конденсации и охлаждения парообразных сред пресной, морской водой или другими хладагентами с температурой конденсируемой среды в кожухе от 0 до +300 ºС (типы КН и КК) и от 0 до +400 ºС (тип КП) и температурой охлаждающей среды в трубах от -20 до +60 ºС; испарители – для нагрева и испарения различных жидких сред с температурой греющей и испаряемой сред от -30 до +350 ºС (типы ИН и ИК) и от -30 до +450 ºС (типы ИП и ИУ); холодильные конденсаторы (тип КТ) – для сжижения хладагента в аммиачных и углеводородных (пропан, пропилен) холодильных установках общепромышленного назначения, работающих в пределах температур конденсируемого хладагента от 0 до +100 ºС, при температуре охлаждающей среды от -20 до +50 ºС; холодильные испарители (тип ИТ) – для охлаждения воды и растворов давлением до 0,6 МПа ( 6 кгс/см2) в аммиачных и углеводородных (пропан, пропилен) холодильных установках общепромышленного назначения, работающих в пределах температур насыщения от +40 до -40 ºС; жидких технологических сред давлением 1-205 МПа (10-25 кгс/см2) в установках, работающих в пределах насыщения от +40 до -60 ºС.

Теплообменные аппараты типов П иУ применяют при значительной разности температур стенок кожуха и труб, а также в случае необходимости механической чистки трубного пучка снаружи.

Теплообменные аппараты изготовляют:

по расположению – вертикальными (типы Н, К и П) и горизонтальными (типы Н, К, П и У);

по числу ходов в трубном пространстве – одноходовыми (типы Н и К), двухходовыми (типы Н, К, П и У), четырёхходовыми (типы Н, К и П) и шестиходовыми (типы Н, К и П);

по компоновке – одинарными и сдвоенными;

по материалу основных узлов и деталей – с деталями трубного и межтрубного пространств из углеродистой или коррозионностойкой стали; с деталями трубного пространства из коррозионностойкой стали, а межтрубного пространства – из углеродистой стали; с трубами из латуни или алюминиево-магниевого сплава и деталями межтрубного пространства из углеродистой стали.

Теплообменные аппараты изготовляют с кожухами диаметром 159, 273, 325, 400, 426, 600, 630, 800, 1000, 1200 и 1400 мм (для типов Н и К), 1600, 1800 и 2000 мм (для типа Н), 325, 400, 426, 500, 530, 600, 630, 800, 1000, 1200 и 1400 мм (для типов П и У) и 800, 1000, 1200, 1600, 2400, 2600, 2800 мм для испарителей типов П и У).

Для стандартных теплообменных аппаратов типов Н и К применяют трубы 20*2 и 25*2 мм; для аппаратов типа П – трубы 20*2, 25*2 и 25*2,5 мм; для аппаратов типа У – трубы 20*2 мм.

В кожухотрубчатых теплообменных аппаратах с неподвижными трубными решетками и с температурным компенсатором на кожухе трубы расположены по вершинам равностороннего треугольника. Размещение отверстий под трубы в трубных решетках и перегородках – в соответствии с ГОСТ 15118-79, ГОСТ 22485-77 и ГОСТ 22486-77.

 В кожухотрубчатых теплообменниках с U-образными трубами, теплообменниках и холодильниках с плавающей головкой трубы расположены по вершинам квадрата или равностороннего треугольника; в конденсаторах с плавающей головкой – по вершинам равностороннего треугольника; в испарителях с паровым пространством – по вершинам квадрата. Размещение отверстий под трубы в трубных решетках и перегородках – в соответствии с ГОСТ 13202-77 (для аппаратов типа П) и ГОСТ 13203-77 (для аппаратов типа У). Трубы в трубных решетках крепят методом развальцовки или обварки с подвальцовкой в соответствии с ГОСТ 26-02-1015-74.

Масса теплообменных аппаратов, расположение опор и штуцеров, условный проход штуцеров, расположение отверстий в опорах под фундаментные болты для горизонтальных аппаратов и размещение поперечных перегородок должны соответствовать указанным в соответствующих ГОСТах [7].

Теплообменники типа «труба в трубе».

 Теплообменники этого типа  смонтированы из труб, каждая  из которых окружена трубой  несколько большего диаметра. Одна  среда течет по внутренней  трубе, другая по кольцевому каналу.

Внутренние трубы соединены последовательно «калачами», а наружные –патрубками. При необходимости получить большую поверхность теплопередачи возможно не только последовательное, но и параллельное  и  комбинированное  соединение таких секций с помощью коллекторов (рис. 2).

рис.2

В теплообменнике типа «труба в трубе» соответствующим подбором диаметров труб для обеих теплообменивающихся сред можно назначить любую скорость, а следовательно, получить соответственно высокие значения величин α1 и α2. Недостатком таких теплообменников является большой расход металла на единицу теплопередающей поверхности вследствие затрат на бесполезные для теплообмена внешние трубы, что приводит к значительному  увеличению стоимости аппарата. Теплообменники типа «труба в трубе» особенно широко применяются тогда, когда среды подаются под высоким давлением (десятков и сотен атмосфер).

 

5. Расчеты.

1. Общая часть.

Примем индекс «1» для горячего теплоносителя (воды 1), индекс «2» - для холодного теплоносителя (воды 2).

1. Температурная схема движения теплоносителей при противотоке:

90   20 (вода 1)

50   25 (вода 2)

∆tб=40          ∆tм = 5

Предварительно найдем среднюю температуру воды 2:

t2 = 0,5 (25+ 50) = 37,5 С;

2. Средняя разность температур:

∆tср = = = 17 °С = 17 К.

3. Средняя температура воды 1 равна:

t1 = t2 + Δtcp = 37,5 – 17 = 54,5 °C.

4. Без учета потерь тепла расход теплоты:

 Вт; 

5. Расход воды 2 через расход теплоты:

          кг/с; (3.4)

где =4190 Дж/(кг К) и =4609 Дж/(кг К) - удельные теплоемкости воды 1 и воды 2 при их средних температурах =54,5 С и =37,5 С [1, рис. XI  и таб. XXXIX].

6. Объемные расходы воды 1 и воды 2:

     м3/с 

         м3/с  

где кг/м3 и кг/м3- плотности воды при температурах  =54,5 С и =37,5 С соответственно [1, таб. XXXIX].

2. Наметим варианты теплообменных аппаратов.

Ориентировочно определим максимальную величину площади поверхности теплообмена:

Fmax = = = 11 м2 ,

где Кmin - коэффициент теплопередачи от жидкости к жидкости (вода), Вт/м2·К. [1,табл. 4.8].

Из величины Fmax следует, что проектируемый теплообменник может быть:

А) Кожухотрубчатый теплообменник (ГОСТ 15120-79) с трубами 25х2 мм;

Б) Теплообменник типа «труба в трубе» (ГОСТ 9930-78), изготовленный из труб 89х4 мм (наружная труба) и 57х3,5 мм (внутренняя труба).

 

1.  Вариант 1. Кожухотрубчатый теплообменник.

 

Для обеспечения интенсивного теплообмена попытаемся подобрать аппарат с турбулентным течением теплоносителей для этого критерий Рейнольдса возьмем Re = 10000. Воду 2 направляем в трубное пространство, воду 1 – в межтрубное пространство.

1. Минимальная скорость движения воды 2:

 

где μ2 = 0,656·10-3 Па·с – динамический коэффициент вязкости воды 2 при температуре t = 37,5°C [1,табл. IX].

2. Число труб 25х2 мм, обеспечивающих объёмный расход воды 2 при Re2 = 10000:

n’ = = = 13,1

Условию F < 11 м2 и n < 13,1 максимально удовлетворяет [1,табл. 4.12] одноходовой теплообменный аппарат с наружным диаметром кожуха 159 мм, числом трубок n = 13 и длиной труб l=3 м.

3. Рассчитаем коэффициент теплоотдачи для кислоты.

Уточняем значение критерия Re2:

 

 

Критерий Прандтля для воды 2 при t2 = 37,5°C находим по формуле:

 

где λ2 = 0,628 Вт/(м·К) –коэффициент теплопроводности воды 2 [1,рис.Х].

Расчётная формула для критерия Нуссельта:

;

 

Коэффициент теплоотдачи для воды 2:

 

4. Рассчитаем коэффициент теплоотдачи при конденсации водяного пара на пучке горизонтальных труб.

Расчёт ведём приблизительно (без учёта влияния поперечных перегородок).

Коэффициент теплоотдачи для воды 2:

 

В нашем случае известно G1 = 0,5 кг/с и n =13. Поэтому используем зависимость α1 = f(n,L,G) с учётом влияния примеси воздуха (0,5 %):

  ,

где ε =0,8 [1,рис. 4.7] при nB = 5 [1,табл. 4.12];

εг = 0,6 [1,рис. 4.9];

Bt = 1135 [1,табл. 4.6].

Задаёмся длиной труб L = 3 м.

5. Принимаем тепловую проводимость загрязнений со стороны греющего пара  , со стороны воды 2    – [1,табл. XXXI].

λфт. = 46.5 – коэффициент теплопроводности стали [1,табл. XXVIII]. Тогда:

Термическое сопротивление стенки и загрязнений:

 

Коэффициент теплопередачи:

 

6. Поверхностная плотность теплового потока:

q = K · ∆tср;

q = 775 · 17 = 13175 Вт/м2.

7. Проверим принятое значение

Определяем:

 

 

tст.2 =  t2 + ∆t2 = 37,5 + 6,7 = 44,2°С;

Prст.2 = = 6,92,

где Cст.2 = 2891 (рис.XI, стр.562);

;

λст.2 = 0,5 (рис. X, стр.561).

Проверка: 1,03

Разница 1,5 %. Расчёт К закончен.

8. Расчетная площадь поверхности теплообмена:

 

Аппарат с L = 3 м имеет площадь поверхности теплообмена:

F1 = π · d2 · n · L = 3,14 · 0,021 · 13 · 3 = 2,57 м2.

Необходимо 7 аппаратов: F7 = 7 · F1 = 18 м2;

Запас площади поверхности теплообмена: Δ = · 100% = 20 %

Запас площади поверхности достаточен.

9. Определяем tст.1:

Δtст.1 = = 7,6°C

tст.1 = t1 – Δt1 = 158,1 – 7,6 = 150,5°С

Выбираем 7 параллельно установленных кожухотрубчатых теплообменника с наружным диаметром D = 159 мм, одноходовых с числом труб n = 13, их длиной 3 м и диаметром 25×2 мм.

Масса данного теплообменника: mкож = 255 кг

Металлоемкость кг/м2 поверхности теплообмена.

 

2. Вариант 2  Расчет теплообменника «Труба в трубе».

 

Рассмотрим аппарат, изготовленный из труб 89х4 мм (наружная труба) и 57х3,5 мм (внутренняя труба).

1. Скорость кислоты в трубах для обеспечения турбулентного течения должна быть больше минимальной скорости движения HCl :

 

 

2. Число параллельно работающих труб 57х3,5 мм при этом:

n' = = = 7,38

Принимаем количество параллельно работающих труб n=4, тогда:

 

 

 

 

3. Определим коэффициент теплоотдачи для кислоты.

Критерий Прандтля для HCl:

 

Критерий Нуссельта для HCl рассчитаем по формуле:

Nu’=0,021·εl·Re0,8·Pr0,43· (Pr/Prст)0,25,

принимаем εl=1 и (Pr/Prст)0,25=1, с последующей корректировкой, таким образом:

Nu2 = 0,021·Re0,8·Pr0,43=0,021 · 200000,8 · 7,730,43 = 139,6;

Коэффициент теплоотдачи для HCl:

 

4. Рассчитаем коэффициент теплоотдачи при конденсации водяного пара на пучке горизонтальных труб.

Коэффициент теплоотдачи для водяного пара (приближённый):

 

Известно G1 = 0,319 , n = 4. Поэтому используем зависимость = f(n,L,G) с учётом влияния примеси воздуха (0,5%):

 

где   (рис.4.9)

- для теплообменника  « труба в ртубе»

Bt = 1135 - значение функции для водяного пара при температуре конденсации пара (табл.4.6);

Задаёмся длиной труб L = 6м, тогда: