Аэродинамический расчёт

Задачей аэродинамического расчёта является определение потери давления потока воздуха, перемещающегося в межтрубном пространстве теплообменника. Рассмотрим последовательно первый и второй варианты теплообменника. Для обоих вариантов в качестве расчетной может рассматриваться схема на рис. 2.4, в. Так как температуры воздуха на входе и выходе теплообменника близки, то для упрощения расчёта примем поток изотермической температурой t₁ = 31,4 °С.

Вариант 1

Предварительно найдём необходимые параметры.

Условный проход штуцеров

Полученное значение определяем до стандартной величины d_ш = 0,15 м [3] (табл. 2.6 на стр. 55).

Скорость воздуха в штуцерах на входе и выходе из кожуха теплообменника

Скорость воздуха в межтрубном пространстве

Коэффициент трения в межтрубном пространстве при размещении труб по вершинам равносторонних треугольников (шахматный пучок):

где D – диаметр кожуха теплообменника, м.

Расстояние между перегородками

где n - число перегородок, равно 22 [3] (табл. 2.7 на стр. 56); L - длина труб, м.

Гидравлическое сопротивление межтрубного пространства рассчитываем по формуле

где слагаемые в правой части соответствуют обозначением на рис. 2.4, в.

В нашем случае:

где коэффициент местного сопротивления при входе в межтрубное пространство ξ₆ = 1,5 (табл. 2.3);

где коэффициент местного сопротивления при сгибании потоком перегородки ξ₇ = 1,5 (табл. 2.3);

где коэффициент местного сопротивления при выходе из межтрубного пространства ξ₈ = 1,5 (табл. 2.3);

Вариант 2

Аналогично выполненный расчёт привёл к следующим результатам для варианта 2:

d_ш =0,2 м; ω_ш =2,22 м/с; ω_мтр =1,6 м/с; λ^/_тр =3,75; l_п =0,4 м; Δp₆ =34,3 Па; Δp_мт =44,5 Па; Δp₇ = 18 Па; Δp₈ = 34,3 Па; Δp = 330,5 Па.

Результаты аэродинамического расчёта показывают, что потеря давления потока воздуха в первом варианте теплообменника Δp₁ = 12400 Па значительно выше, чем допускаемая величина Δp_доп = 5000 Па (исходные данные). Для второго варианта теплообменника Δp₂ = 330,5 Па < Δp_доп.

Таким образом, выбираем в дальнейшем будем рассматривать второй вариант с параметрами: D_в = 600 мм; D_н = D_в + 2δ = 600 + 2·5 = 610 мм (толщина стенки кожуха δ принята по табл. 2.4); d_н = 25 мм; δ_ст = 2 мм; z = 4; L = 2 м; n = 206 шт.; F = 32 м².

Механический расчёт

Используемые теплоносители (вода, воздух) неагрессивны и поэтому теплообменник выполнен из углеродистых сталей. Давление теплоносителей в межтрубном пространстве Р_к = 0,8 МПа, а в трубном Р_т = 0,4 МПа.

Конструктивные параметры выбранного теплообменника: D_в = 600 мм; d_н = 25 мм; δ_к=5 мм; δ_ст=2 мм; n=206 шт.; площадь сечения труб ; площадь сечения кожуха

Усилия, обусловленные температурными деформациями в теплообменнике, одинаковые для труб и кожуха из одинакового материала:

где α_т - коэффициент температурного линейного расширения углеродистой стали, равен 14,5·10^-6 К^-1 (табл. 2.1); Е – модуль нормальной упругости стали, равен 19,8·10¹⁰ Па (табл. 2.1); t_к - температура стенки кожуха принята равной средней температуре воздуха t₁ = 31,4 °С (равенство t_к ≈ t₁ выполняется при наличии тепловой изоляции снаружи кожуха); t_ст - температура стенки теплопередающих труб, принята наименьшей из рассчитанных в тепловом расчёте значений t_ст = 22 °С.

Общее растягивающее усилие от действия давлений теплоносителей

Растягивающее усилие от действия давления, воспринимаемое трубами

Растягивающее усилие от действия давления, воспринимаемое кожухом

Напряжение, воспринимающее в трубах

Напряжение, возникающее в кожухе

Нормативное допускаемое напряжение для углеродистой стали Ст 20 составляет [σ]_доп = 146 МПа (табл. 2.1). Можно видеть, что σ_т и абсолютное значение σ_к существенно меньше [σ]_доп. Это позволяет выбрать теплообменник типа Н с неподвижными трубными решётками и без компенсатора температурных деформаций. В этом случае необходимо дополнительно проверить на надёжность крепление труб в трубных решётках по формуле

Принимая толщину трубной решётки в равной d_н = 0,025 м, для левой части формулы получаем

Данная величина значительно меньше допускаемого усилия для крепления труб вальцовкой в гладких отверстиях трубной решётки, которое равно Р_доп = 15 МПа.