2.3. Гідравлічний розрахунок теплообмінників

Розрахунок здійснюється з метою визначення опорів при русі теплоносіїв через робочі елементи теплообмінників, що необхідно для визначення потужності насосів (або вентиляторів), яка витрачається на транспортування теплоносія через апарат. За результатами розрахунків вибирають по каталогам насос, який забезпечує необхідну продуктивність і напір.

2.3.1. Кожухотрубні теплообмінники

У гідравлічному розрахунку кожухотрубного теплообмінника визначають гідравлічний опір трубного і між трубного простору.

Втрати тиску на подолання сил тертя і місцевих опорів в трубопроводах визначаються згідно залежності:

ΔР_тр = , (2.85)

де λ – коефіцієнт тертя;

l – довжина труб, м;

d_е – еквівалентний діаметр, м;

w – швидкість потоку теплоносія, м/с;

ρ – густина теплоносія, кг/м³;

∑ζ – сума коефіцієнтів місцевих опорів.

Коефіцієнт тертя при ламінарному режимі руху в трубах

λ = 64 / Re, (2.86)

при турбулентному режимі

λ = 0,11(, (2.87)

де e – відносна шорсткість труб; е = Δ / d_е (Δ – абсолютна шорсткість труби).

Орієнтовні значення абсолютної шорсткості труб:

Таблиця 2.6

Труби Δ, мм

Стальні нові 0,06 – 0,1

Стальні, які були в експлуатації, з незначною корозією 0,1 – 0,2

Стальні старі, забруднені 0,5 – 2

Для насиченої пари 0,2

Для конденсату 1,0

Значення коефіцієнтів місцевих опорів:

Найменування	ζ	Визначальна швидкість
Вхід в камеру і вихід з камери Поворот на 1800 Вхід в труби і вихід з труб	1,5 2,5 1,0	В штуцерах wтр.ш В трубах wтр В трубах wтр

З врахуванням геометрії розміщення труб в трубних решітках, числа сегментних перегородок у між трубному просторі (х), загальної кількості труб (n), довжини труби L, кількості ходів теплообмінника (z), числа рядів труб, які долає потік теплоносія у між трубному просторі (m=), швидкості теплоносія в трубах (w_тр) і штуцерах трубного простору (w_тр.ш ), швидкості теплоносія в між трубному просторі (w_мтр) і швидкості в штуцерах між трубного простору (w_мтр.ш), залежності для розрахунку втрат тиску приймають вигляд:

Втрати у трубному просторі

_(2.88)

Втрати у між трубному просторі з сегментними перегородками:

_(2.89)

Швидкість рідини у між трубному просторі

W_мтр = G_мтр/ S_мтр· ρ_мтр (2.90)

де S_мтр – найменше січення потоку у між трубному просторі, G_мт – масова витрата рідини у міжтрубному просторі, кг/с.

Число Рейнольдса у між трубному просторі

Re_мтр = G_мтр·d /( S_мтр·μ_мтр), (2.91)

де d – зовнішній діаметр труб, м; μ_мтр – в’язкість рідини у між трубному просторі, Па·с.

2. Пластинчаті теплообмінники

Гідравлічний опір для кожного теплоносія визначають по залежності [6]:

ΔР = , (2.92)

де L – приведена довжина каналів, м (табл. 2.11 додатку 2.1); d_е – еквівалентний діаметр каналів, м;

х – число пакетів (ходів) для даного теплоносія; w_ш – швидкість у штуцерах на вході і виході, м/с; ξ = а₁/Rе – для ламінарного руху, ξ = а₂/Rе^0,25 – для турбулентного руху.

Коефіцієнти а₁ і а₂ залежать від типу (площі) пластини:

Таблиця 2.7

Площа пластини, м² 0,2 0,3 0,6 1,3

а₁ 425 425 320 400

а₂ 19,6 19,3 15,0 17,0

Для визначення швидкості у штуцерах в таблиці 2.11 додатку 2.1 приведені діаметри умовних проходів штуцерів. Якщо швидкість рідини у штуцерах менш ніж 2,5 м/с, їх гідравлічний опір можна не враховувати.

2. Спіральні теплообмінники

Гідравлічний опір для кожного теплоносія з достатньою для інженерних розрахунків точністю можна розрахувати за формулою [9]:

ΔР = 0,011 Па, (2.93)

де L – довжина спіралі, м; ρ – густина теплоносія, кг/м³; δ – ширина каналу, м; w - швидкість руху теплоносія в каналі, м/с; Rе = wd_е/ν.

2. Теплообмінники типу „труба в трубі”

Гідравлічний опір в теплообмінних трубах і у кільцевому просторі розраховується по залежності (2.85).

2.4. Приклади розрахунку теплообмінників

2.4.1.1. Розрахунок кожухотрубного підігрівача.

Розрахувати кожухотрубний теплообмінник для нагрівання 10 т/год. толуолу. Початкова температура толуолу – 35⁰С, кінцева – 110⁰С. Нагрівання здійснюється гріючою водяною парою тиском 0,3 МПа.