13.2. Выбор основных параметров теплообменника

типа «труба в трубе»

Теплообменники типа «труба в трубе» широко используются при разогреве и охлаждении жидкостей (газов). Преимущество таких теплообменников заключается в простоте конструкции, и они могут быть собраны из стандартных элементов. При необходимости поверхность теплообмена может быть увеличена за счет установки нескольких секций.

На рис. 13.2 показан подогреватель топлива секционный ПТС типа «труба в трубе». Горячий пар (горячая вода) входит через клапан 4, проходит по трубе 7 и выходит через клапан 5 в виде конденсата. Проходя по трубе, пар нагревает ее и отдает теплоту через стенки трубы 7, например холодной воде. Холодная жидкость под действием перепада давления входит в подогреватель через клапан 6, а выходит через клапан 3. Жидкость, проходя через кольцевое сечение подогревателя, увеличивает свою температуру. Массовый расход пара (горячей воды) и холодной жидкости регулируется проходными сечениями клапанов.

Рис. 13.2. Подогреватель топлива секционный типа ПТС:

1 и 2 – опоры неподвижные; 3 – клапан выхода жидкости; 4 – клапан входа пара; 5 – клапан выхода конденсата; 6 – клапан входа жидкости; 7 – труба нагревательная; 8 – корпус подогревателя; 9 – фланец корпуса; 10 – болт;

11 – крышка; 12 – изоляция; 13 – рёбра нагревательной трубки;

А и Б – вход и выход нефтепродукта;

В – вход пара; Г – выход конденсата

На рис. 13.3 показан разрез теплообменника типа «труба в трубе». Горячий теплоноситель движется по внутренней трубе, а холодный – по кольцевому каналу. Теплота передается от одного теплоносителя к другому через цилиндрическую стенку.

Тепловой поток теплоносителя в трубе определяется из выражения

, (13.18)

в кольцевом канале

, (13.19)

где m₁, m₂ – массовые расходы теплоносителей во внутренней трубе и кольцевом канале соответственно, кг/с; t₁₁, t₁₂ – температура на входе и выходе внутренней трубы, ⁰С; t₂₁, t₂₂ – температура на входе и выходе кольцевого канала, ⁰С.

При установившемся режиме теплообмена . При равенстве уравнений (13.2) и (13.3) получается баланс теплового потока.

Рис. 13.3. Теплопередача через цилиндрическую стенку: 1 – внутренняя труба;

2 – кольцевой канал; 3 – изменение температуры; d₁ – внутренний диаметр

внутренней трубы; D₁ – наружный диаметр внутренней трубы;

d₂ – внутренний диаметр кольцевого сечения;

D₂ – наружный диаметр кольцевого сечения

По кольцевому каналу движется жидкость, например мазут М-40, который под действием перепада давления, создаваемого насосом, входит в кольцевой канал при температуре 10 ⁰С (t₂₁), а на выходе из кольцевого канала температура должна повыситься до 40 ⁰С (t₂₂). Теплоемкость мазута составляет 2,1 кДж/(кг∙К). Время подогрева 4 ч (14 400 с). Масса мазута 20 000 кг. Массовый расход мазута m₂=M /t составит 1,388 кг/с. Необходимый тепловой поток Ф₂ определяем по формуле (13.19), и он составит 87,4 кДж/с, или 87,4 кВт.

Далее выбирают вид теплоносителя (пар, горячая вода). Допустим, мы выбрали в качестве теплоносителя горячую воду с температурой на входе в теплообменник 90 ⁰С (t₁₁), а на выходе 50 ⁰С (t₁₂). Удельную массовую теплоемкость воды примем равной 4,18 кДж/(кг∙К). По формуле (13.18) находим необходимый массовый расход горячей воды при , который составит 0,52 кг/с, или 1872 кг/ч.

Определив требуемое значение теплового потока Ф для нагрева жидкости, находим необходимую площадь F поверхности горячего теплоносителя (нагревателя), используя уравнение теплопередачи:

, (13.20)

где к – средний, постоянный для поверхности F коэффициент теплопередачи, Вт/(м²∙К); t_н – средний для поверхности F температурный напор между теплоносителями, ⁰С.

Средний температурный напор t_н определяют по формулам (13.13) или (13.14).

Коэффициент k теплопередачи рассчитывается по формуле

, (13.21)

где – коэффициент теплоотдачи от теплоносителя, протекающего во внутренней трубе, к внутренней поверхности трубы, Вт/(м²×К); – коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности трубы к теплоносителю, протекающему в кольцевом канале, Вт/(м²×К); – коэффициент теплопроводности материала внутренней (центральной) трубы, Вт/(м×К); d₁, D₁ – внутренний и наружный диаметры центральной трубы, м.

Для нахождения коэффициентов теплоотдачи a₁ и a₂ по числу Нуссельта необходимо знать теплопроводность материала стенки (l, Вт/(м×К)) и значение эквивалентного диаметра ( d_э, м). Число Нуссельта определяют по формулам (13.7) или (13.8) в зависимости от режима движения.

Определив значение коэффициента теплопередачи k и средний температурный напор t, по формуле (13.20) находим площадь нагрева F теплообменного аппарата, м². В зависимости от величины площади нагрева выбираем марку теплообменного аппарата и число секций.