II. Тепловой расчет и выбор конструкции теплообменного аппарата

Целью теплового расчета теплообменного аппарата является выбор стандартного теплообменника при заданных массовых расходах (G₁, G₂) и температурных режимах теплоносителей (t₁, t₁, t₂, t₂).

Конструктивный тепловой расчет кожухотрубного теплообменного аппарата состоит из двух частей:

1. Предварительный (оценочный) расчет критериев, определяющих выбор ТА, и выбор теплообменного аппарата по каталогу;

2. Определение среднего коэффициента теплопередачи k для предварительно выбранного стандартного ТА и расчетной площади поверхности теплообмена F_расч. Окончательный выбор теплообменного аппарата по каталогу.

0. Предварительный (оценочный) расчет и выбор теплообменного аппарата

Первая часть конструктивного теплового расчета состоит из следующих этапов:

1. Выбор типа теплообменного аппарата;

2. Определение по справочной литературе теплофизических свойств теплоносителей;

3. Определение расчетной тепловой мощности теплообменного аппарата из уравнения теплового баланса;

4. Расчет коэффициента теплопередачи по оценочным значениям коэффициентов теплоотдачи (в трубном и межтрубном простран-

стве) и термическим сопротивлениям стенки теплообменных труб и загрязнений;

5. Определение средней разности температур между теплоносителями для противоточной схемы их движения;

6. Определение расчетной площади поверхности теплообмена;

7. Расчет оптимального диапазона площадей проходных сечений в трубном и межтрубном пространстве ТА;

8. Предварительный выбор теплообменного аппарата по диапазону площадей проходных сечений в трубном и межтрубном пространстве ТА и расчетной площади поверхности теплообмена;

9. Расчет минимального индекса противоточности;

10. Определение индекса противоточности выбранной конструкции ТА;

11. Проверка правильности выбора конструкции ТА по сопоставлению индекса противоточности теплообменного аппарата с минимальным индексом противоточности.

Перед расчетом критериев, определяющих выбор теплообменника, следует определить: какой из теплоносителей движется в трубном, а какой в межтрубном пространстве. Выбор проводится по следующим рекомендациям:

• Теплоноситель с более высоким давлением (p  1 МПа) целесообразно направлять в трубы;

• Теплоноситель, вызывающий более интенсивную коррозию, предпочтительно направлять в трубы;

• Теплоноситель, при использовании которого образуется больше отложений, следует направлять в трубы;

• Теплоноситель с большей вязкостью предпочтительно направлять в межтрубное пространство.

При выборе типа теплообменного аппарата необходимо учитывать следующие особенности эксплуатации теплообменников:

• Теплообменные аппараты с плавающей головкой используются при температурах теплообменивающихся сред от –30 ⁰С до +450 ⁰С, давление потока в трубном пространстве может достигать 8,0 МПа. Следует учитывать, что данная конструкция позволяет осуществлять разборку ТА и очистку межтрубного пространства;

• Теплообменные аппараты с неподвижными трубными решетками и с температурным компенсатором на кожухе используются при температурах теплообменивающихся сред от от –70 ⁰С до +350 ⁰С. В теплообменниках без температурных компенсаторов давление теплоносителей в межтрубном пространстве может достигать 4,0 МПа, а максимальная разность температур между теплоносителями не должна превышать 80 ⁰С. В теплообменных аппаратах с температурным компенсатором давление теплоносителя, движущегося в межтрубном пространстве, не должно превышать 1,6 – 1,7 МПа.

После выбора типа теплообменного аппарата, по справочной литературе определяются теплофизические свойства горячего и холодного теплоносителей (c_{pm ,}  _,  _,  _, Pr) [4, 7]. Эти величины выбираются из таблиц или рассчитываются по предлагаемым зависимостям при средних арифметических температурах теплоносителей.

Тепловая мощность теплообменного аппарата Q при заданных температурных режимах (t₁, t₁, t₂, t₂) и расходах (G₁, G₂) теплоносителей рассчитывается по формуле

, (1)

где η – коэффициент, учитывающий тепловые потери в окружающую среду, η = 0,95 – 0,98 [2, 11].

Cредняя разность температур между теплоносителями _m рассчитывается по уравнению Грасгофа для противоточной схемы движения теплоносителей

_m = , (2)

где Θ₁ = t₁ - t₂ , а Θ₂ = t₁ - t₂ .

Коэффициент теплопередачи от горячего к холодному теплоносителю определяется по соотношению

, (3)

где коэффициенты теплоотдачи в трубном α_тр и межтрубном α_мтр пространстве и термические сопротивления загрязнений R_з.тр = (δ/λ)_з.тр, R_з.мтр = (δ/λ)_з.мтр на внутренней и наружной поверхности теплообменных труб выбираются в пределах рекомендуемых диапазонов из справочных таблиц 1 - 4.

Таблица 1

Ориентировочные значения коэффициента теплоотдачи α

в теплообменной аппаратуре

№ п/п	Вид теплоносителя и условия теплоотдачи	α , Вт/(м2.К)
	Конвективная теплоотдача газов	20 – 200
	Конвективная теплоотдача вязких жидкостей (масла, мазуты, нефти, растворы солей и т.д.)	150 – 500
	Конвективная теплоотдача жидких органических веществ: легкие ts < 200 0C средние ts = 200 – 350 0C тяжелые ts > 350 0C: а) нагрев б) охлаждение	1500 – 2000 750 – 1500 250 – 750 150 – 400

Продолжение табл. 1

	Конвективная теплоотдача маловязких жидкостей (вода, бензин, керосин, газойль и т.д.)	500 – 2.104
	Конденсация паров органических веществ: легкие ts < 200 0C средние ts = 200 – 350 0C	1500 – 7000 1500 – 4000
	Конденсация водяных паров: пленочная капельная	4.103 – 1,5.104 4.104 – 105
	Кипение органических жидкостей легкие ts < 200 0C средние ts = 200 – 350 0C тяжелые ts > 350 0C	1000 – 4000 1000 – 3500 750 – 2500
	Пузырьковое кипение воды в большом объеме	2.103 – 4.104

Таблица 2

Термические сопротивления загрязнений на поверхностях ТА, создаваемые охлаждающей водой

Охлаждающая вода	Температура горячего теплоносителя, К	Температура воды, К	Скорость воды, м/с	Термические сопротивления загрязнений Rз.104, (м2.К)/Вт
Дистиллированная	≤ 473	Любая	Любая	2,9
Котловая	≤ 393 ≤ 393 393 – 473	≤ 313 ≤ 313 > 313	≤ 0,9 > 0,9 Любая	58,0 29,0 58,0
Оборотная, охлаждаемая в градирнях, очищенная	≤ 393 393 – 473	≤ 313 > 313	Любая Любая	5,8 12,0
Оборотная, охлаждаемая в градирнях, неочищенная	≤ 393 393 – 473 393 – 473	≤ 313 > 313 > 313	Любая ≤ 0,9 > 0,9	17,0 29,0 23,0

Таблица 3

Термические сопротивления загрязнений на поверхности теплообмена кожухотрубных теплообменников промышленного назначения

Теплоносители	Процесс теплообмена	Термические сопротивления загрязнений Rз.104, (м2.К)/Вт
Водяной пар	Конденсация	≤ 2,9
Водяной пар, загрязненный маслом	Конденсация	5,8
Воздух	Конвекция	11,6
Газы промышленные	Конвекция	58,0
Диолефины и полимеризующиеся углеводороды	Кипение	≤ 29,0
Масло циркуляционное чистое	Конвекция	5,8
Масло машинное и трансформаторное	Конвекция	5,8
Нефть	Конвекция	29,0
Мазут	Конвекция	20 – 40
Органические продукты жидкие (бензин, керосин, газойль)	Конвекция	4,0 – 29,0
Органические продукты парообразования	Конденсация	≤ 5,8
Углеводороды С1 – С8	Кипение	≤ 5,8
Углеводороды С9 и более тяжелые	Кипение	5,8 – 17,5
Хладоагенты жидкие	Кипение и конвекция	58,0
Хладоагенты парообразные	Конвекция	11,6

Таблица 4

Термические сопротивления загрязнений на поверхности теплообмена ТА установок химических и нефтехимических производств

Установки и отдельные виды оборудования	Теплоносители	Процесс теплообмена	Термические сопротивления загрязнений Rз.104, (м2.К)/Вт
Установки получения бензина	Сырье	Конвекция	2,9
	Верхний продукт колонны	Конденсация	2,9
	Продукты в кипятильнике Хладоагенты и теплоносители	Кипение Конвекция, конденсация, кипение	5,8 2,9
Установки крекинга	Сырье жидкое при температуре ≤ 533 К Сырье жидкое при температуре > 533 К Газы пиролиза при температуре ≤ 533 К Газы пиролиза при температуре > 533 К Пары из колонн, отпарных аппаратов и т.д. Пары из барботажных колонн	Конвекция Конвекция Конвекция Конвекция Конденсация Конденсация	12,0 24,0 12,0 17,3 36,0 12,0
Абсорбционные установки	Газообразные продукты «Жидкий» сорбент «Тощий» сорбент (жидкость) Паровой отбор	Конвекция Кипение, конвекция Конвекция Конденсация	12,0 12,0 12,0 58,0
Установки алкилирования, узлы дебутанизации, депропонизации и деметанизации	Сырье Верхний продукт колонн Продукты в холодильниках Продукты в кипятильниках	Конвекция Конденсация Конвекция Кипение	58,0 58,0 5,8 11,6
Установки для поглащения сероводорода	Пары верхних отборов Продукты в холодильниках Продукты в кипятильниках	Конденсация Конвекция Кипение	5,8 10,0 10,0

Материал теплообменных труб выбирается в зависимости от термобарических параметров теплоносителей и их агрессивности. Значения коэффициента теплопроводности для ряда марок сталей представлены в табл. 5.

Толщина стенки теплообменных труб кожухотрубных ТА _ст составляет от 1,5 до 3,0 мм.

Таблица 5

Коэффициент теплопроводности сталей λ, Вт/(м.К) [11]

Марка стали	Температура, 0С
	20	100	200	300	400	500	600
Углеродистые стали
08	59,2	57,7	53,5	49,4	44,8	40,2	36,1
20	51,7	51,1	48,5	44,4	42,7	39,3	35,6
40	48,1	48,1	46,5	44,0	41,1	38,5	31,4
У8	49,7	48,1	45,1	41,4	38,1	35,2	32,7
У12	45,2	44,8	42,7	40,2	37,2	34,7	32,0
Низколегированные стали
20М	-	45,3	43,6	42,4	40,7	37,2	34,9
15ХМ; 12ХМФ	-	44,2	41,3	40,7	39,0	36,0	33,7
10Х2МФ(ЭИ531)	-	38,4	37,8	37,8	37,2	35,5	32,6
12ХН2(Э1)	33,0	33,0	33,4	-	-	35,5	32,6
30ХН3	35,2	36,0	37,0	37,0	36,5	35,2	33,5
20ХН4В(Э16)	27,3	28,3	29,3	-	-	32,6	-
30ХГС(ЭИ179)	-	37,2	40,7	38,4	37,2	36,1	34,9
Хромистые нержавеющие стали
Х13	26,7	27,7	27,7	28,0	27,7	27,2	26,4
2Х13	24,3	25,5	25,8	26,3	26,4	26,6	26,4
3Х13	25,1	26,4	27,2	27,7	27,7	27,2	26,7
Х28	-	20,9	21,7	22,7	23,4	24,3	25,0
Хромоникелевые аустенитные стали
Х18Н9(ЭЯ1)	-	16,3	17,6	18,8	20,5	21,7	23,4
1Х18Н9Т(ЭЯ1Т)	-	16,0	17,6	19,2	20,8	22,3	23,8
Х18Н9В	-	16,3	17,2	18,4	20,1	21,7	23,8
1Х14Н14В2М	-	15,6	17,1	18,7	20,1	21,6	22,9
Х13Н25М2	-	11,7	13,4	15,0	17,2	19,3	21,7
Н28		14,7	16,4	17,6	18,8	20,5	22,2

Одним из критериев выбора кожухотрубного теплообменного аппарата является расчетная площадь поверхности теплообмена, которая определяется по формуле

. (4)

Другим критерием, определяющим выбор серии кожухотрубных теплообменников, являются диапазоны площадей проходных сечений трубного f_тр и межтрубного f_мтр пространства. Приемлемые диапазоны площадей проходных сечений трубного и межтрубного пространства находятся с использованием рекомендуемых диапазонов скоростей теплоносителей из соотношений:

; , (5)

где w_min и w_max – минимальная и максимальная рекомендуемые скорости потоков теплоносителей (табл. 6); ρ и G – плотность и массовый расход теплоносителя.

Таблица 6

Рекомендуемые скорости теплоносителей в ТА

Теплоносители	w, м/с
Жидкости вязкие (легкие и тяжелые масла, мазуты, нефти, растворы солей и т.д.)	0,2 – 1,0
Жидкости маловязкие (вода, бензин, керосин, газойль и т.д.)	0,5 – 3,0
Насыщенные пары углеводородов при давлении: Р = 0,005 – 0,02 МПа Р = 0,02 – 0,05 МПа Р = 0,05 – 0,1 МПа Р > 0,1 МПа	60 – 75 40 – 60 20 – 40 10 – 25
Сухой насыщенный и перегретый водяной пар	20 – 60

Выбираемый теплообменный аппарат должен быть способен обеспечить заданные температурные режимы теплоносителей. Это условие выполняется только в случае, если индекс противоточности выбранной конструкции теплообменного аппарата P при заданных температурных режимах и водяных эквивалентах теплоносителей больше или равен минимальному индексу противоточности P_min

P  P_min . (6)

Минимальный индекс противоточности определяется только заданными температурами теплоносителей на входе и выходе из ТА и рассчитывается по формуле

. (7)

Порядок выбора типа, конструкции и размеров теплообменного аппарата имеет следующую последовательность:

1. По термобарическим параметрам выбирается тип аппарата;

2. По рекомендациям определяется: какой теплоноситель течет в трубном, а какой в межтрубном пространстве;

3. По диапазону площадей проходных сечений трубного f_тр.min – f_тр.max и межтрубного f_мтр.min – f_мтр.max пространства, а также по величине расчетной площади поверхности теплообмена F_расч выбирается теплообменный аппарат. При этом выбранный теплообменный аппарат должен иметь площади проходного сечения трубного f_тр и межтрубного f_мтр пространства в оптимальном диапазоне значений проходных сечений

f_min  f  f_max , (8)

а его площадь поверхности теплообмена должна быть близка к расчетной

F_ст  F_расч . (9)

Желательно, чтобы выбранный теплообменник находился в середине серии с одинаковыми проходными сечениями трубного и межтрубного пространства (Приложение II, III). Это даст возможность, после уточнения значений коэффициента теплопередачи k и средней разности температур Θ_m, изменять площадь поверхности теплообмена аппарата за счет изменения длины теплообменных труб как в большую, так и в меньшую сторону, без изменения проходных сечений в трубном и межтрубном пространстве.

4. Далее следует определить истинный индекс противоточности P выбранного теплообменного аппарата и проверить условие, при котором аппарат способен обеспечить заданные температурные режимы теплоносителей

P  P_min .

В одноходовых теплообменных аппаратах может осуществляться либо прямоточная, либо противоточная схема движения теплоносителей. Для прямоточной схеме индекс противоточности равен P = 0, а при противотоке - P = 1.

Для более сложных схем определение индекса противоточности P выбранного теплообменного аппарата начинается с расчета характеристик, от которых, наряду со схемой движения теплоносителя, зависит значение индекса

, . (10)

По значениям этих характеристик с учетом схемы движения теплоносителей (число ходов по трубному и межтрубному пространству) из графиков (Приложение I) определяется _t – коэффициент, учитывающий различие между средней логарифмической разностью температур между теплоносителями для противоточной схемы движения _mL и действительной средней разностью температур _m .

Затем рассчитывается действительная средняя разность температур

_m = _t _mL . (11)

Характеристическая разность температур T определяется с использованием метода последовательного приближения из следующего соотношения:

, (12)

где _ma – средняя арифметическая разность температур между теплоносителями в теплообменном аппарате,

. (13)

Уравнение (12) получено из уравнения Н.И. Белоконя для сложных схем движения теплоносителей.

Индекс противоточности для выбранной схемы теплообменного аппарата, заданных температурных режимов и водяных эквивалентов теплоносителей определяется также по уравнению Н.И. Белоконя для характеристической разности температур

. (14)

Для выбранного теплообменного аппарата выписываются из приложения II, III его основные конструктивные характеристики:

• Диаметр кожуха D_к;

• Наружный диаметр теплообменных труб d_н;

• Число ходов по трубам ;

• Площади проходного сечения одного хода по трубам f_тр, в вырезе перегородки f_в.п и между перегородками f_м.п;

• Площадь поверхности теплообмена F_ст;

• Длина теплообменных труб l .

.