1.2.2 Теплообменники жесткой конструкции

Теплообменники жесткой конструкции представляют собой важный подкласс кожухотрубчатых теплообменников, отличающийся особой прочностью и устойчивостью к механическим нагрузкам. Они используются в условиях, где требуется высокая надежность и долговечность оборудования.

Такие теплообменники обычно изготавливаются из прочных материалов, таких как сталь или специальные сплавы, что позволяет им выдерживать высокие давления и температуры. Трубы в таких аппаратах часто имеют утолщенные стенки и могут быть дополнительно усилены ребрами жесткости. Кожух также усиливается, чтобы предотвратить деформацию под воздействием внешних и внутренних нагрузок.

Конструктивные особенности включают:

• Утолщенные стенки труб: это позволяет выдерживать высокие давления без риска разрушения.;

• Ребра жесткости: устанавливаются на кожухе и трубах для повышения общей прочности конструкции (Рис. 4);

• Использование специальных сплавов: материалы, устойчивые к коррозии и высоким температурам, что продлевает срок службы аппарата;

а – прямоугольные рёбра; б – трапециевидные рёбра.

Рисунок 4 – Элементы оребрённого теплообменника

Принцип действия теплообменников жесткой конструкции аналогичен обычным кожухотрубчатым теплообменникам: один поток проходит через трубки, а другой − через кожух. Однако благодаря усиленной конструкции такие аппараты могут работать в более экстремальных условиях, что делает их незаменимыми в тяжелых промышленных процессах.

Теплообменники жесткой конструкции находят применение в химической, нефтехимической и энергетической отраслях, где требуется высокая надежность и устойчивость к агрессивным средам. Они используются для нагрева и охлаждения различных веществ, при разности температур сред не более 50°C.

1.3 Выбор типа теплообменника для расчета

Кожухотрубчатые теплообменники выбраны для расчета конденсатора пара этилового спирта из-за их высокой надежности и возможности работы при высоких давлениях и температурах. Они обеспечивают хорошую теплопередачу и легко поддаются очистке, что важно для процессов, связанных с конденсацией паров.

Для конденсации пара этилового спирта наиболее подходящим типом теплообменника, является кожухотрубчатый теплообменник с линзовым компенсатором, поскольку разность температур сред больше 50 °C. Это связано с его способностью выдерживать высокие температуры и давления, а также с возможностью компенсировать термические расширения благодаря линзовому компенсатору.

2 Расчётная часть

2.1 Тепловой баланс подогревателя

Тепловой баланс можно выразить следующим уравнением:

Q = G₁ ⋅ r₁ = G₂ ⋅ c₂ ⋅ (t₂₂ − t₂₁), где:

Q − тепловой поток, Вт

G₁​ и G₂​ − массовые расходы теплоносителей, кг/с

r₁​ − Теплота конденсации теплоносителя, кДж/кг

c₂​ − удельные теплоемкости теплоносителей, Дж/(кг·К)

t₁₁​ и t₁₂​ − начальная и конечная температуры первого теплоносителя, °C

t₂₁​ и t₂₂​ − начальная и конечная температуры второго теплоносителя, °C

В таблице 1 представлены исходные данные для расчёта.

Таблица 1 – Исходные данные

Параметр	Значение
Тип аппарата	Кожухотрубный
Производительность аппарата по охлаждаемой среде	15,0 т/ч
Состав охлаждаемой среды	Насыщенный пар этилового спирта
Давление охлаждаемой среды	Атмосферное
Состав нагреваемой среды	Вода
Начальная температура нагреваемой среды	10 °C
Конечная температура нагреваемой среды	20 °C

Температура насыщенного пара этилового спирта на входе: t₁₁ = 78,3 °С Температура конденсата на выходе: t₁₂​ может быть ниже температуры насыщенного пара. Предположим, что температура конденсата на выходе будет t₁₂ = 70 °C

Температура охлаждающей воды на входе: t₂₁ = 10 °C

Температура охлаждающей воды на выходе: t₂₂ = 20 °C

Теплота конденсации этилового спирта r = 840 кДж/кг

Рассчитаем массовый расход конденсирующегося пара:

G₁ = = 4,17 кг/с

Рассчитаем тепловой поток Q:

Q = G₁ ⋅ r = 4,17 кг/с ⋅ 840 кДж/кг = 3502,8 кВт

Определим массовый расход охлаждающей воды:

Удельная теплоемкость воды c₂​ составляет 4,18 кДж/(кг·К)

Разница температур охлаждающей воды:

Δt₂ = t₂₂ − t₂₁ = 20 – 10 = 10 °C

Тепловой поток, отводимый водой:

Q = G₂ ⋅ c₂ ⋅ Δt₂

Отсюда:

G₂ =