2.2.4. Теплообмінники типу „труба в трубі”

Деякі елементи конструктивного розрахунку теплообмінника типу „труба в трубі” нерозривно зв’язані з тепловим розрахунком. Так, згідно приведеної методики теплового розрахунку (розділ 2.1.D): задаються числом Rе, визначають швидкості потоків, розраховують число ходів тощо. Але можна використати іншій алгоритм, показаний нижче.

• Задаються швидкістю руху теплоносія у внутрішній трубі (в межах 0,5 – 3 м/с);

• Розраховують внутрішній діаметр труби по залежності

d_вн = , (2.78)

позначення величин, що входять у (2.78) – дивись розділ 2.1.D.

• Приймають по ГОСТ 9930 – 78 теплообмінну трубу з діаметром, найближчим до розрахованого. Теплообмінні труби рекомендується приймати із зовнішнім діаметром 25; 38; 48; 57; 76; 89; 108; 133; 159 мм.

• Уточнюють швидкість руху теплоносія :

w₂ = G₂/(0,785ρ₂d²). (2.79)

• Розраховують внутрішній діаметр зовнішньої труби:

D_вн = , (2.80)

де S_мтр = G₁/(ρ₁w₁) – площа січення кільцевого простору, м²; w₁ – швидкість руху теплоносія у кільцевому просторі, м/с (задаються).

Приймають по ГОСТ кожухову трубу діаметром, найближчим до розрахованого. Кожухові труби рекомендується приймати із зовнішнім діаметром 57; 76; 89; 108; 133; 159; 219 мм.

• Уточнюють швидкість руху теплоносія у між трубному просторі:

w₂ = . (2.81)

• Розраховують числа Rе для внутрішньої труби і між трубного простору по залежностям (2.60) і (2.62). Бажано, щоби числа Rе відповідали турбулентному режиму. Якщо число Rе виявиться по розрахунку занадто великим ( Rе > 15 000), треба збільшити діаметр трубопроводу, або зменшити швидкість і розрахувати кількість потоків теплообмінника по залежності (2.58).

Після розрахунку необхідної поверхні теплообміну визначають:

- Для однопоточного теплообмінника

- загальну довжину труби:

L = F/(πd_з); (2.82)

- приймаючи довжину теплообмінної поверхні такою, що дорівнює довжині кожухової труби, визначають число послідовно з’єднаних елементів теплообмінника:

z = L/ℓ, (2.83)

де ℓ - довжина кожухових труб (приймається 1,5;3,0;4,5; 6,0; 9,0; 12 м).

• Для багатопоточного теплообмінника (з кількістю n потоків):

• загальну довжину труби, що приходиться на один потік

L = F/(πd_зn); (2.84)

- аналогічно (2.82) – число елементів одного потоку.

Ще раз підкреслимо, що приведений конструктивний розрахунок треба узгодити з тепловим розрахунком і вибором стандартизованого теплообмінника.

За рівнянням (2.66) розраховують діаметри штуцерів, далі підбирають стандартизовані фланці, розраховують опори.

В залежності від умов теплообміну, характеристик теплоносіїв, заданої продуктивності, вибирають конструкцію теплообмінника, метод компоновки теплообмінних труб в блок, спосіб кріплення труб тощо.

Теплообмінники виготовляються однопоточними і багато поточними, нерозбірними і розбірними. Багато поточні теплообмінники мають камеру, з якої теплоносій рухається одночасно по декількох трубах.

Враховуючи відсутність достатньої графічної інформації у більшості підручників по процесах та апаратах хімічної технології, що стосується теплообмінників типу „труба в трубі”, на рис. 2.9 – 2. 11 показані деякі їх конструктивні особливості.

Рис. 2.9. Компоновка секцій нерозбірного однопоточного

теплообмінника в блок

Рис. 2.10. Будова однопоточного розбірного теплообмінника:

1 – теплообмінна труба; 2 – кожухова труба; 3 – опора;

4 – решітка кожухових труб; 5 – камера; 6 - перегородка

Рис. 2.11. Розбірний багато поточний теплообмінник

Теплообмінник, показаний на рис. 2.11, складається з кожухових труб 5, які розвальцовані в двох трубних решітках: середній 4 і правій 7. Всередині кожухових труб розміщені теплообмінні труби 6. Один кінець теплообмінних труб жорстко зв’язаний з лівою трубною решіткою 2, а другий може переміщуватися. Вільні кінці теплообмінних труб попарно з’єднані колінами 8 і закриті камерою 9. Для розподілу потоку теплоносія по теплообмінних трубах служить розподільча камера 1 з перегородкою 13, а для розподілу теплоносія у між трубному просторі – розподільча камера 3 з перегородкою 12. Пластинами 11 кожухові труби жорстко зв’язані з опорами 10.

Теплообмінник має сім потоків, два ходи по внутрішніх трубах і два по зовнішніх. Вузли з’єднання теплообмінних труб з трубною решіткою (вузол І) і з колінами (вузол ІІ) ущільнені за рахунок прижиму і деформації напівкульових ніпелів у конічних гніздах.

Оскільки можливість температурних подовжень кожухових труб внаслідок жорсткого з’єднання їх з опорами обмежена, перепад температур входу і виходу середовища, що рухається по кільцевому зазору, не повинен перевищувати 150⁰ С [10].