Расчет теплообменного аппарата типа ‹‹труба в трубе››

 

 

 

 

 

 

Расчет теплообменного аппарата типа ‹‹труба в трубе››

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тюмень 2015

 

Теоретическая часть.

Теплообменные аппараты и установки предназначены для передачи теплоты от одной среды к другой или от среды к нагреваемому (охлаждаемому) телу. Теплообменные аппараты и установки по некоторым характерным признакам можно объединить в определенные классификационные группы.

Прежде всего, по способу передачи теплоты от одной среды к другой (от одного теплоносителя к другому) теплообменники классифицируются на:

• рекуперативные;
• регенеративные;
• смесительные;
• с электрическим обогревом.

В рекуперативных теплообменниках передача теплоты осуществляется сквозь разделяющую теплоносители однослойную или многослойную стенку при установившемся или неустановившемся тепловом режиме. К аппаратам с установившимся тепловым режимом относятся непрерывно действующие теплообменники, работающие при неизменных во времени расходах и параметрах теплоносителей на входе и выходе из аппарата. Передача теплоты от одной среды к другой в рекуперативных аппаратах происходит при одновременном вынужденном движении сред без изменения фазового состояния или при фазовом переходе одного (обоих) теплоносителя.

В периодически действующих аппаратах в течение заданного времени может осуществляться последовательно нагрев, испарение, охлаждение определенного количества предварительно загруженной жидкости или нагрев, охлаждение сыпучих и твердых материалов. В процессе нагрева или охлаждения, естественно, происходит изменение во времени температуры нагреваемого вещества. В качестве греющей среды используются теплоносители, не изменяющие фазовое состояние (жидкости, газы), и конденсирующийся водяной пар или пар другой жидкости. Греющая (охлаждающая) среда, как правило, подается непрерывно с мало изменяющимися параметрами на входе и существенно переменной во времени температурой на выходе из аппарата, особенно у жидких и газообразных теплоносителей. Следовательно, аппараты такого типа относятся к теплообменникам с неустановившимся тепловым режимом.

В особые подгруппы можно выделить оросительные теплообменники и рекуперативные системы с потоками газовзвеси. В первой подгруппе передача теплоты сквозь стенку сопровождается процессами тепломассообмена на внешней орошаемой поверхности. Во второй в качестве одного из теплоносителей используется дисперсная среда со сравнительно небольшой объемной концентрацией твердых частиц, которые изменяют условия переноса тепла от этой системы к поверхности теплообмена и способствуют интенсификации теплообмена.

Непрерывно действующие рекуперативные теплообменники в большинстве случаев можно отнести к категории аппаратов, работающих с установившимся тепловым режимом. По конструктивному оформлению теплообменники непрерывного действия могут быть:

• змеевиковыми;
• секционными;
• кожухотрубчатыми;
• ребристыми;
• пластинчатыми;
• пластинчато-ребристыми;
• прокатно-сварными;
• сотовыми.

В регенеративных теплообменных аппаратах при передаче теплоты от одной среды к другой также используется поверхность теплообмена. Однако эта поверхность, или точнее насадка, образующая поверхность теплообмена, является промежуточным аккумулятором теплоты. Вначале, в течение какого-то отрезка времени, насадка через свою поверхность воспринимает определенное количество теплоты от греющей среды. Затем производится переключение потоков теплоносителей и по поверхности насадки пропускается нагреваемая среда. В этот период насадка охлаждается, передавая ранее воспринятую теплоту нагреваемой среде.

Нагрев или охлаждение в регенераторах, особенно с неподвижной насадкой, относится к категории нестационарных, но синхронно повторяющихся тепловых процессов. Обычно в регенераторах нагреваются компоненты горения топлива для промышленных печей, МГД генераторов и парогенераторов.

Для теплообмена при смешении рабочих сред не требуется специальная поверхность.

Теплообмен в этом случае происходит на границе раздела фаз одного рода теплоносителей (однородных) или на границе раздела жидкой и газообразной сред и сопровождается массообменом, изменением энтальпии смеси или каждого из теплоносителей, изменением влагосодержания газообразной среды. Смесительные теплообменники могут быть полыми и с насадкой. Поверхность насадки во втором случае служит только для организации движения пленки жидкой фазы и не является поверхностью теплообмена.

В соответствии с назначением газожидкостные аппараты называются скрубберами, градирнями, оросительными камерами, смесительными подогревателями воды.

• в полом и насадочном скрубберах происходят охлаждение, осушка или увлажнение и очистка от пыли и других примесей всевозможных газов и воздуха;
• в оросительных камерах – охлаждение, осушка и увлажнение воздуха для систем кондиционирования;
• в градирнях – охлаждение охлаждающей воды из конденсаторов паровых турбин;
• в смесительных паро- и водо-водяных аппаратах – нагревание воды для систем горячего водоснабжения, конденсация отработавшего пара и так далее.

В теплообменных аппаратах с электрическим обогревом в качестве источника тепла используется электрическая энергия. Условия передачи теплоты от источника тепла к нагреваемой среде или нагреваемому телу в них отличаются от условий теплопередачи в теплообменниках с двумя или более теплоносителями.

Электрическая энергия превращается в тепловую в элементах сопротивления, в электродуговых установках прямого или косвенного нагрева, в установках индукционного и диэлектрического нагрева. Наибольшее распространение в промышленной теплотехнике получили электрические нагреватели сопротивления и индукционные нагреватели.

Каждая рассматриваемая группа теплообменников, кроме аппаратов с электрическим обогревом, классифицируется на подгруппы по роду теплоносителей:

• парожидкостные;
• жидкостно-жидкостные;
• газожидкостные;
• газо-газовые;
• парогазовые;
• с дисперсными теплоносителями.

Поверхность теплообмена может быть выполнена из гладких или оребренных разным способом труб, из гладких или профильных волнистых и оребренных пластин или в виде разнообразной по форме фасонной, блочной и кирпичной насадки. По компоновке поверхности теплообмена и соединению ее с корпусом гладкотрубчатые аппараты можно разделить на следующие группы:

• погруженные с прямыми трубами и змеевиковые;
• оросительные с водяным и воздушным охлаждением;
• секционные;
• кожухотрубчатые.

Секционные и кожухотрубчатые аппараты могут быть скомпонованы также и из ребристых труб.

Кожухотрубчатые и секционные теплообменники изготавливают в виде жесткой (то есть обе трубчатые решетки соединяются жестко с корпусом) и нежесткой конструкции: с U- и W-образными трубами, с «плавающей» камерой и с компенсаторами на корпусе или трубах.

Возможные варианты конструкций труб, применяемых в трубчатых теплообменниках, представлены на (рис. 1).

Рис. 1 – Трубы для теплообменников: а – с поперечными ребрами: 1 – ретандер; 2– игольчатые; 3 – плоскосплошные; 4 – прямоугольные; 5 – с накатным оребрением; 6 –круглые; 7, 8 – треугольные; 9 – спиральные; 10 – проволочные; б – с продольными ребрами: 11 – прямоугольные; 12 – V-образные; 13 – выдавленные; в – цилиндрические со вставками: 14 – с диафрагмой; 15 – кольцевые; 16 – дисковые; 17 – спиральные; 18 – гладкотрубные цилиндрические; г – пережатые; 19 – полукольцевыми вмятинами; 20 – кольцевыми вмятинами; 21 – спиральными вмятинами; д – нецилиндрические: 22 – овалообразные; 23 – каплеобразные; 24 – двуугольные; 25 – овальные; 26 – обтекаемые; 27, 28 – плавниковые

Аппараты из пластин разделяются на: рубашечные, спиральные, гладкопластинчатые разного профиля, пластинчатые ребристые и сотовые. Они могут быть разборными, полуразборными, сварными и прокатно-сварными.

Поверхность теплообмена пластинчатых аппаратов компонуется из разнообразных по конструктивным признакам стальных листов. К числу таких теплообменников относятся реакторы с рубашкой, спиральные конденсаторы и нагреватели для жидкостей, плоскопластинчатые нагреватели низкого давления для воздуха, воздухо- и газонагреватели из различных штампованных, ребристых и других профилей листов в системах газотурбинных и холодильных установок, компактные пакетные и сотовые теплообменники, применяемые на железнодорожном и других видах транспорта.

Конструкции пластин, применяемых при компоновке теплообменников подобного типа, представлены на (рис. 2).

Рис. 2 – Пластины для теплообменников: а – с ребрами: 1 – гладкими квадратными; 2 – гладкими прямоугольными; 3 – с другими формами гладких ребер; 4 – волнистыми; 5 – стерженьковыми; 6 – разрезными жалюзийными; 7 – разрезными пластинчатыми; б – пластинчатые: 8 – плоские; 9 – спиральные; в – с повышенной турбулентностью: 10 – со сфероидальными зигзагообразными каналами; 11, 12 – волнообразными и серповидными каналами

 

Аппараты с насадкой чаще всего бывают разборными. Насадка укладывается или насыпается на специальную решетку. Для высокотемпературных регенераторов фасонная огнеупорная насадка устанавливается на фундамент или на решетку из огнеупорного материала.

Теплообменные аппараты выполняют из огнеупорных материалов, графита, стекла, пластмасс. По конструктивным признакам они могут быть весьма разнообразными в зависимости от технологических условий нагрева или охлаждения, а также физико-химических свойств и температурного уровня рабочих сред.

По пространственному расположению теплообменные аппараты делятся на вертикальные, горизонтальные, наклонные; по числу ходов рабочих сред – на одно, двух, четырехходовые и т. д.; по взаимному направлению движения теплоносителей – на прямоточные, противоточные, прямоточно-противоточные и с разными вариантами перекрестного тока.

 

 

Практическая часть.

Постановка задачи:

Определить величину поверхности теплообмена, число секций и мощность, необходимую для перемещения каждого теплоносителя водо-водяного теплообменника типа ‹‹труба в трубе››. Греющая вода движется по внутренней стальной трубе (коэффициент теплопроводности ее диаметром мм и имеет температуру на входе , а на выходе .Нагреваемая вода движется противотоком по кольцевому каналу между трубами и нагревается от до .Количество передаваемой теплоты Q=100 кВт. Диаметр внешней трубы мм. Диаметр одной секции принятьм. Потери теплоты через внешнюю поверхность теплообменника не учитывать.

 

Тепловой расчет

Находим среднеарифметические значения температур первичного и вторичного теплоносителей и значение физических свойств воды при этих температурах.

 

При : ; ;

; ;

 

При   : ; ;

; ;

Определяем расходы первичного вторичного теплоносителей:

)

 

 

Скорость движения первичного теплоносителя

 

Скорость движения вторичного теплоносителя

 

Определяем число Рейнольдса для первичного теплоносителя

 

Режим течения турбулентный, следовательно, расчет числа Нуссельта ведем по формуле:

 

Температура стенки неизвестна, поэтому задаемся ее значением:

 

При Pr=3,54.

Определяем число Нуссельта:

 

Находим коэффициент теплоотдачи от первичного теплоносителя к стенке трубы

 

Определяем число Рейнольдса для вторичного теплоносителя

 

где - эквивалентный диаметр.

Для кольцевого канала

 

Режим течения турбулентный, поэтому расчет числа Нуссельта ведем по формуле для теплоотдачи при турбулентном течении в каналах кольцевого сечения:

 

Принимаем в первом приближении и, следовательно, получим:

 

Коэффициент теплоотдачи от стенки трубы ко вторичному теплоносителю равен

 

Поскольку отношение диаметров , определяем коэффициент теплопередачи по уравнению для плоской стенки:

 

где

Находим средний температурный напор. Для этого определим величины условных эквивалентов и :

 

Схема распределения температур теплоносителей по длине теплообменника имеет вид:

Среднелогарифмический температурный напор:

 

Определяем плотность теплового потока:

 

 

Число секций:

где - диаметр поверхности с минимальным коэффициентом теплоотдачи. Полученное число n округляем до большего целого числа. Уточняем температуры поверхностей стенок трубы:

 

 

При этих температурах числа Прандтля       и     

Поправки на изменение физических свойств жидкости по сечению потока равны:

  (в расчете принято)

  (в расчете принято )

 

 

Полученные значения менее чем на отличаются от принятых в расчете. Перерасчет не требуется. Если полученные значения отличаются более чем на от принятых, требуется повторить перерасчет и .