Расчёт теплообменника типа «труба в трубе»

малые мощности. Теплообменники «труба в трубе» часто используются для небольших мощностей, при которых нет необходимости применять оребренные трубы (например, при использовании в качестве теплоносителя воды). В этом случае применяются гладкие трубы или пучки гладких труб.

 

Теоретические основы процесса теплопередачи

 

Тепловые процессы или теплообмен — обобщенное название процессов  передачи энергии в виде теплоты  между телами, имеющими различную  температуру.

Движущей силой процесса теплообмена  является разность температур. Причем передача теплоты осуществляется от тела с большей к телу с меньшей температурой.

К тепловым процессам, используемым в  промышленности, относятся процессы нагревания, охлаждения, испарения  и конденсации.

Вещества и тела, участвующие  в процессе теплообмена, называются теплоносителями. Теплоносители с более высокой температурой, отдающие теплоту в процессе теплообмена, называются горячими теплоносителями, вещества с более низкой температурой, воспринимающие теплоту в процессе теплообмена, называются холодными теплоносителями.

Передача теплоты может осуществляться как при непосредственном соприкосновении  теплоносителей, так и через тепло-проводящую стенку (поверхность теплообмена) и  является основным расчетным конструктивным параметром теплообменных аппаратов (теплообменников).

Различают стационарные (установившиеся) и нестационарные (неустановившиеся) теплообменные процессы.

При стационарных процессах, характерных  обычно для непрерывно действующих  теплообменных устройств, температура  в каждой точке рабочего объема (тела) не меняется во времени.

При нестационарных процессах, характерных  для периодически действующего оборудования, температура, напротив, меняется во времени.

Совокупность значений температур во всех точках объема (тела) называется температурным полем. Кроме трехмерного температурного поля, в зависимости от условий проведения процесса и числа используемых координат могут рассматриваться двумерные, и одномерные температурные поля.

Так же, как тепловые процессы, температурное  поле может быть стационарным и нестационарным.

Изотермическая поверхность в  температурном поле — поверхность, объединяющая точки с одинаковыми  температурами. Из-за отсутствия разности температур теплота вдоль такой  поверхности не распространяется.

Теплота в температурном поле, таким образом, может распространяться только между изотермическими поверхностями. При этом степень интенсивности изменения температуры характеризуется температурным градиентом, выраженным пределом отношения приращения температуры к расстоянию между изотермическими поверхностями, направленным по нормали к этой поверхности.

Механизмы передачи теплоты

Теплота от одного тела к другому  передается: теплопроводностью, конвекцией и тепловым излучением.

Теплопроводность (кондукция) — перенос  теплоты вследствие движения и колебаний микрочастиц, соприкасающихся друг с другом. Теплопроводностью передается теплота в твердых телах и тонких слоях жидкости и газа.

Конвекция — перенос теплоты путем перемещения  макрообъектов жидкости или газов. Перемещение возможно за счет разности плотностей, обусловленной неодинаковой температурой отдельных участков объема системы (естественная, или свободная, конвекция), а также путем принудительного их перемещения в результате внешних механических воздействий с помощью насосов, компрессоров, воздуходувок и т. п, (вынужденная конвекция).

Тепловое излучение (лучеиспускание) — перенос теплоты в виде электромагнитных волн, излучаемых нагретым телом.

Указанные механизмы распространения  теплоты редко встречаются в  чистом виде. Обычно они сопутствуют друг другу — происходит так называемый сложный теплообмен.

Конвекция — процесс распространения  теплоты в жидкости или газе от поверхности твердого тела или наоборот. Процесс передачи теплоты одновременно конвекцией и теплопроводностью  называют теплоотдачей.

При теплоотдаче теплота передается от стенки через тонкий пограничный  слой теплопроводностью, а затем  в поток (ядро) жидкости конвекцией.

Основным законом теплоотдачи  является закон Ньютона, согласно которому количество теплоты dQ_K0HB, переданное конвекцией от поверхности к окружающей среде (или наоборот), пропорционально поверхности теплообмена dF, разности температур поверхности t_ст и окружающей среды t_f и времени dx проведения процесса: dQ_KOHB = a(t_CT-t_f)dFdт.

Коэффициент пропорциональности называется коэффициентом теплоотдачи и показывает, какое количество теплоты передается от теплообменной поверхности 1 м² в окружающую среду или наоборот в течении 1 с при разности температур теплообменной поверхности и окружающей среды 1 К.

Коэффициент теплоотдачи не является постоянной величиной для рассматриваемой среды и зависит в первую очередь от гидродинамических условий течения жидкости вдоль теплопередающей поверхности, а также плотности, вязкости, удельной теплоемкости и других параметров. Теплопередача — процесс передачи теплоты от более нагретой среды к менее нагретой среде через стенку.

Коэффициент теплопередачи показывает, какое количество теплоты переходит в единицу времени от более нагретого к менее нагретому теплоносителю через разделяющую их стенку с площадью поверхностью 1 м² при разности температур между теплоносителями один градус.

В случае рассмотрения процесса передачи теплоты через стенку цилиндрической формы механизм теплопередачи остается прежним, а количество теплоты, передаваемой на каждой стадии.

 

Описание схемы работы теплообменника. Рабочие параметры

 

В разборных конструкциях теплообменников  типа «труба в трубе» внутренние трубы  при повышении температуры могут  удлиняться независимо от наружных. Конструкция  аппаратов позволяет осуществлять регулярную механическую очистку внутренней поверхности теплообменных труб от загрязнений, а также при необходимости вынимать трубы для их замены или механической очистки наружной поверхности.

В многопоточных теплообменных  аппаратах распределительная камера служит для распределения потока по теплообменным трубам. Между решетками теплообменных и кожуховых труб расположена распределительная камера для среды, протекающей по кольцевому пространству в кожуховых трубах. Многопоточные теплообменники имеют два хода по внутренним трубам и два по наружным.

В аппарате этого типа легче обеспечить большие, чем в кожухотрубчатых теплообменниках, скорости движения потоков, что позволяет  иметь и более высокие коэффициенты теплопередачи и большие значения теплонапряженности поверхности нагрева. Кроме того, в аппаратах типа «труба в трубе» легче осуществить противоток между теплообменивающимися средами, что также способствует более высокой эффективности теплообмена.

Поверхность теплообменных аппаратов  рассматриваемого типа в меньшей степени подвержена загрязнению продуктами коррозии и механическими примесями, содержавшимися в теплообменивающихся средах. Во многих случаях аппараты типа «труба в трубе» работают с более высокими тепловыми показателями, чем кожухотрубчатые теплообменники.

В теплообменных аппаратах разборной  конструкции внутренние трубы в ряде случаев с наружной поверхности выполняются с оребрением, позволяющим в 4 —5 раз увеличить их поверхность теплообмена. Оребрение внутренних труб используют, как правило, в тех случаях, когда со стороны одной из теплообменивающихся сред трудно обеспечить высокий коэффициент теплоотдачи (движется газ. вязкая жидкость, поток имеет ламинарный характер и т.п.). В этом случае оребренпе поверхности со сто- роны такой теплообменивающейся среды позволяет значительно увеличить количество переданного тепла.

Варианты оребрения трубы: ребра  можно изготовить в виде штампованных корыт, приваренных контактной сваркой  или из полос, которые вставляют  в канавки, а затем закрепляют обжатием кромок (завальцовка ребер роликами). Ребра могут быть получены накаткой или выдавливанием из металла трубы. Применяют также ребристые трубы с приварными штамп.

Для повышения эффективности теплообмена  в трубном пространстве используют методы воздействия на поток устройствами, разрушающими и турбулизирующими движение потока в трубе. Это различного рода турбулизирующие вставки, вял ленточные, завихрители, установленные по всей длине трубы, обеспечивают закрутку потока, что является одним из эффективных способов интенсификации теплообмена в трубах. Широкое распространение из-за простоты изготовления получили ленточные завbхрители. Наиболее эффективная закрутка потока при этом реализуется, если лента вставлена в трубу практически без зазора. Дополнительный эффект в этом случае заключается в том. что винтовая вставка увеличивает поверхность теплообмена и воспринятое ею тепло посредством теплопроводности передается в стенку трубы.

Отечественные машиностроительные заводы освоили производство диафрагмированных труб, которые изготавливаются путем нанесения на гладкие трубы поперечных вертикальных (см. ХХП-14 a) или наклонных спиральных (см. ХХП-14. а) канавок. Вместо наклонных канавок можно устанавливать внутри труб турбулизаторы, представляющие собой спиральную проволоку. Приведен турбулизатор, применяемый при движении внутри трубы вяких продуктов или тогда, когда при необходимости требуется обеспечить на большой длине небольшое гидравлическое сопротивление.

Недостатками теплообменных аппаратов  типа «труба в трубе» по сравнению с кожухотрубчатыми аппаратами являются большие габариты, а также более высокий расход металла на единицу поверхности нагрева.

Теплообменные аппараты типа «труба в трубе» жесткой конструкции, так  же как и кожухотрубчатые с  неподвижными решетками, используются при сравнительно небольшой разности температур тепло обменивающихся сред и при теплообмене незагрязненных жидкостей (частая очистка кольцевого пространства не требуется).

В теплообменных аппаратах типа «труба в трубе» разборной конструкции сравнительно легко очищаются внутренняя и наружная поверхности труб; эти аппараты обладают высоким коэффициентом теплопередачи и являются надежными в эксплуатации.

Коэффициент теплоотдачи.

Важнейшей и наиболее трудоемкой частью технологического расчета поверхности теплообменного аппарата является вычисление коэффициентов теплоотдачи. Методы определения этих величин изучаются в специальном курсе теплопередачи, здесь же приводится ряд формул, которыми и рекомендуется пользоваться при расчете теплообменных аппаратов. Коэффициент теплоотдачи от движущегося жидкого или газообразного потока зависит от режима движения: при ламинарном (струйном) потоке коэффициенты теплоотдачи обычно малы, а при турбулентном потоке более высоки и возрастают с увеличением степени турбулентности. Режим потока устанавливается в зависимости от значения безразмерного критерия Рейнольдса.

Поверхность теплообмена.

При известных количествах переданного  тепла, средней разности температур между теплообменивающими средами  и коэффициенте теплопередачи поверхность теплообмена определяется делением тепла на произведение средней разности температур и коэффициента теплопередачи.

Это справедливо для плоской  стенки, а также для труб, если толщина стенки мала по сравнению  с диаметром. Этим же уравнением следует пользоваться и для труб с относительно большой толщиной стенки, но в этом случае поверхность теплообмена должна вычисляться по среднему диаметру.

Если коэффициент теплопроводности стенки трубы достаточно высок (стенка металлическая), а коэффициенты теплоотдачи а < 1000. то величину среднего диаметра определяют по другому.

Наконец, если один из коэффициентов  теплоотдачи значительно превосходит  другой, то средний диаметр практически  равен внутреннему или наружному  диаметру трубы.

Средний температурный напор.

В большинстве производственных процессов  тепло передается при переменных температурах одного или обоих теплообменивающихся  потоков. Очевидно, в этом случае разность температур, или температурный напор, пропорционально которому передается тепло, также будет величиной переменной, меняющейся вдоль поверхности нагрева. В связи с этим возникает необходимость определения средней разности температур (среднего температурного напора) между теплообменивающимися средами. Это среднее значение температурного напора, естественно, зависит от характера изменения температур потоков вдоль поверхности теплообменного аппарата, который может быть различным К наиболее характерным случаям относятся: прямоток, противоток, перекрестный ток и смешанный ток.

Сопоставление температурных режимов работы теплообменных аппаратов при прямотоке и противотоке позволяет отметить, что при прямотоке максимальный температурный напор наблюдается у входа в теплообменный аппарат затем этот напор уменьшается, достигая своего минимального значения у выхода из аппарата. В противоположность этому при противотоке температурный напор более равномерно распределяется вдоль поверхности. Вследствие такого распределения температурного напора при прямотоке поверхность теплообмена в тепловом отношении загружена неравномерно при противотоке тепловая нагрузка является более равномерной.

Еще одно важное достоинство противотока: конечная температура нагревающейся  среды может быть выше конечной температуры  охлаждающейся среды. Это обстоятельство позволяет при регенерации тепла обеспечить более высокий подогрев нагреваемой среды а при охлаждении снизить расход охлаждающего агента и при том же его расходе понизить конечную температуру охлаждаемого продукта.