Расчет кожухотрубчатого теплообменника

Различают поверочный и проектный расчеты теплообменников. Эти расчеты проводятся с использованием уравнений теплового баланса и теплопередачи.

Поверочный расчет. При поверочном расчете кожухотрубчатого теплообменника с известной поверхностью теплообмена основными задачами являются:

1. определение расхода теплоносителей при заданных начальных и конечных температурах теплоносителей;

2. определение тепловой нагрузки аппарата при заданных начальной и конечной температурах, расходе одного из теплоносителей;

3. определение конечной температуры теплоносителей при заданных расходах и известной тепловой нагрузке аппарата.

Необходимость в проведении поверочного расчета может возникнуть при выявлении возможностей имеющегося аппарата при переходе к проектным режимам работы.

Проектный расчет. Целью проектного расчета является определение необходимой поверхности теплообмена и режима работы теплообменника, оптимально удовлетворяющего заданным технологическим требованиям.

Необходимую поверхность теплопередачи определяют из основного уравнения теплопередачи:

При проектном расчете теплообменного аппарата обычно заданы расход одного из теплоносителей, его начальная и конечная температуры, а также начальная температура другого теплоносителя (или температура, сохраняющая постоянное значение, при использовании в качестве другого теплоносителя насыщенного водяного пара, кипящей жидкости). Выбор типа теплообменного аппарата производится, исходя из конкретных условий протекания процесса. Кроме того, выбранный теплообменник должен быть прост по устройству, компактен, обладать малой металлоемкостью и т.п. К основным условиям выбора теплообменника следует отнести величину тепловой нагрузки.

Тепловую нагрузку аппарата в соответствии с заданными технологическими условиями находят из уравнения теплового баланса:

1. при использовании теплоносителя, не меняющего своего агрегатного состояния

где c_i – уд. теплоемкость теплоносителя при среднеарифметической температуре между начальной и конечной температурами;

2. при конденсации насыщенных паров без охлаждения конденсата или при кипении

3. при конденсации перегретых паров с охлаждением конденсата

где – энтальпия перегретого пара.

Для практических расчетов принимают тепловые потери равными 3-5% от полезной теплоты, т.е., если на нагрев холодного теплоносителя требуется Q₂ теплоты, то тепловая нагрузка аппарата будет

В случае необходимости уравнение теплового баланса позволяет найти при заданном расходе неизвестную температуру одного из теплоносителей.

Следующим этапом в расчете кожухотрубчатого теплообменника является определение движущей силы процесса. Движущей силой тепловых процессов называют разность температур сред, при наличии которой тепло передается от среды с большей температурой к среде с меньшей температурой. При теплопередаче от одного теплоносителя к другому разность между температурами теплоносителей не сохраняет постоянного значения вдоль поверхности теплообмена. Поэтому в тепловых расче­тах, где применяется основное уравнение теплопередачи к конечной поверхности теплообмена, необходимо пользоваться средней разностью температур. Для этого прежде решают вопрос об относительном направлении движения теплоносителей в трубном и межтрубном пространствах кожухотрубчатого теплообменника.. При этом следует иметь ввиду, что при равных условиях (расходы, начальные и конечные температуры теплоносителей и т.п.) в аппаратах с противоточным движением теплоносителей движущая сила больше, чем в условиях прямотока.

Это различие практически исчезает при малом изменении температуры одного из теплоносителей. Если температура одного из теплоносителей в течение процесса не меняется, то направление движения теплоносителей противо – или прямотоком не имеет значения. Тогда выбор движения теплоносителей в трубном или межтрубном пространстве будет определяться их физико-химическими свойствами, агрегатным состоянием, температурой и давлением, степенью загрязненности и агрессивности.

В аппаратах с прямо – или противоточным движением теплоносителей средняя разность температур потоков определяется как среднелогарифмическая между большей и меньшей разностями температур теплоносителей на концах аппарата:

Если эти разности температур одинаковы или отличаются не более чем в два раза, то среднюю разность температур можно приближенно определить как среднеарифметическую между ними:

При сложном взаимном движении теплоносителей, например при смешанном токе (многоходовые кожухотрубчатые теплообменники), средняя разность температур принимает промежуточное значение между значениями при противотоке и прямотоке. Его можно рассчитать, вводя поправку к среднелогарифмической разности температур для противотока:

Эту поправку для наиболее распространенных схем взаимного направления движения теплоносителей можно рассчитать теоретически ( , т.1).

Большое значение в расчете теплового процесса имеет правильный выбор физико-химических констант теплоносителя, которые отнесены к его средней температуре.

Для теплоносителя, у которого температура в теплообменнике изменяется на меньшее число градусов, средняя температура определяется как среднеарифметическая между начальной и конечной:

Для второго теплоносителя среднюю температуру находят по формуле:

Это уравнение справедливо и тогда, когда температура первого теплоносителя постоянна вдоль поверхности теплообмена.

Для определения поверхности теплопередачи и выбора варианта конструкции теплообменного аппарата необходимо определить коэффициент теплопередача. Его можно рассчитать с помощью уравнения аддитивности термических сопротивлений на пути теплового потока:

где α₁, α₂ – коэффициенты теплоотдачи со стороны теплоносителей; δ_ст, λ_ст – толщина стенки и теплопроводность материала стенки; r_з1, r_з2 – термические сопротивления слоев загрязнений с обеих сторон стенки.

Это уравнение справедливо для передачи тепла через плоскую или цилиндрическую стенку при условии, что d_нар /d_вн < 2 (где d_нар, d_вн – наружный и внутренний диаметры цилиндрической трубы).

Однако на этой стадии расчета точное определение коэффициента теплопередачи невозможно, так как α₁ и α₂ зависят от геометрических параметров конструкции рассчитываемого теплообменного аппарата (для кожухотрубчатого теплообменника – это внутренний диаметр и число труб, диаметр кожуха). Поэтому сначала на основании ориентировочной оценки коэффициента теплопередачи приближенно определяют поверхность теплообмена. Конкретный вариант кожухотрубчатого теплообменника может быть выбран по справочным данным с учетом количества труб, определяющих скорость перемещения теплоносителей в трубном и межтрубном пространстве при заданном расходе одного из теплоносителей (расход второго теплоносителя может быть определен из уравнения теплового баланса). Скорости теплоносителей в выбранном аппарате должны сочетать интенсивный перенос тепла, что обеспечит высокое значение коэффициента теплопередачи, и умеренный расход энергии на перемещение теплоносите­ля при незначительном гидравлическом сопротивление. При этом желательно, чтобы теплообмен происходил в условиях турбулентного режима течения теплоносителей при развитом турбулентном движении (Re≥10000). Из практических данных следует, что приемлемые значения коэффициентов теплоотдачи можно получить при скоростях для жидкостей до 1,0-1,5 м/с и для газов до 10-25 м/с [ I ].

При проектировании кожухотрубчатых теплообменников теплоноситель с меньшим коэффициентом теплоотдачи для увеличения скорости следует пропускать по трубам, так как сечение труб меньше сечения межтрубного пространства. Увеличение скорости также может быть достигнуто при использовании многоходовых теплообменников.

На следующем этапе рассчитывают значения коэффициентов теплоотдачи, термического сопротивления стенки и коэффициента теплопередачи применительно к размерам выбранного аппарата. По вычисленному значению коэффициента теплопередачи уточняется величина требуемой поверхности теплообмена. Сопоставление ее с поверхностью выбранного стандартного теплообменника дает ответ на вопрос о пригодности выбранного варианта для данной технологической задачи. При значительном отклонении расчетной поверхности от выбранной следует перейти к другому варианту конструкции и вновь выполнить уточненный расчет.