Диаметр трубной доски теплообменника формула

В этой статье мы подробно рассмотрим уравнения, необходимые для расчета размеров и проектирования кожухотрубных теплообменников.

Кожухотрубные теплообменники широко используются и очень популярны в перерабатывающей промышленности, благодаря своей универсальности. Различные типы кожухотрубных теплообменников могут быть легко сконфигурированы путем изменения расположения кожуха и трубки.

 Кожухотрубные теплообменники широко используются в химической промышленности и процессах сепарации. Они изготавливаются из пучков труб и могут состоять из нескольких типов труб: гладких, продольно оребренных и т. д.

 Концы трубок помещены в листы, которые разделяют оболочку и трубки жидкости  В оболочках также размещены перегородки, которые помогают направлять поток жидкости со стороны оболочки и создают более турбулентный режим течения.

 Этот тип теплообменника имеет ряд преимуществ, которые включают большую площадь поверхности при малом объеме, легкую очистку, хорошую механическую компоновку и хорошо известные конструкторские процедуры. Перед началом расчетов необходимо знать все параметры и данные запрашиваемой конструкции. 

Общее описание

Диаметр трубной доски теплообменника формула

Кожухотрубные теплообменники являются одним из самых популярных типов теплообменников благодаря гибкости, которую проектировщик должен учитывать в широком диапазоне давлений и температур. Существует две основные категории кожухотрубных теплообменников:

  1. те, которые используются в нефтехимической промышленности, как правило, подпадают под действие стандартов Ассоциации производителей трубчатых теплообменников

  2. те, которые используются в электроэнергетике, такие как подогреватели питательной воды и конденсаторы электростанций.

Независимо от типа отрасли, в которой будет использоваться теплообменник, существует ряд общих особенностей 

Кожухотрубный теплообменник состоит из ряда труб, установленных внутри цилиндрической оболочки. Две жидкости могут обмениваться теплом, одна жидкость течет по внешней стороне труб, в то время как вторая жидкость течет по трубам. Жидкости могут быть однофазными или двухфазными и могут течь параллельно или поперечно/встречно.

Шаг 1: Анализ приложения

Когда мы впервые получаем запрос на теплообменник, первым шагом является анализ приложения. Это приложение для пищевой промышленности? Он промышленный? Инженер-проектировщик должен правильно определить тип теплообменника, который необходим и будет соответствовать требованиям приложения.

  • Для продукта и рабочих жидкостей должны быть определены расчетные температура, давление и максимально допустимый перепад давления.
  • Шаг 2: Определение свойств жидкости
  • Следующий шаг состоит в том, чтобы проанализировать вовлеченные жидкости или газы: жидкость со стороны продукта и жидкость со стороны обслуживания. Четыре важных физических свойства вовлеченных жидкостей должны быть известны:
  • Плотность
  • Удельная теплоемкость
  • Теплопроводность
  • Вязкость

Правильный путь состоит в том, чтобы получить значения этих четырех параметров для различных температур в кривой нагрева или охлаждения приложения. Чем лучше мы понимаем физические свойства участвующих жидкостей, тем точнее будет конструкция теплообменника.

Шаг 3: Энергетический Баланс

Как только мы правильно определили физические свойства, пришло время проверить энергетический баланс. Обычно клиент определяет расход продукта и желаемую температуру входа и выхода.

Они будут указывать тип используемой обслуживаемой жидкости и определять два из следующих трех параметров: расход сервисного потока, температуру входа в сервис или температуру выхода из сервисного обслуживания.

Если два параметра известны, третий параметр вычисляется.

Шаг 4: Определение геометрии теплообменников

На этом этапе инженер-конструктор определяет геометрию теплообменника. Он выберет диаметр оболочки и определит трубный пучок, который помещается внутри теплообменника: nr внутренних труб, диаметр внутренней трубы и толщину стенки, а также длину внутренних труб.

 Во – вторых, определяются размеры боковых жидкостных соединений корпуса и трубы. На этом этапе также должен быть сделан выбор применяемых материалов.

 По стандарту теплообменник применяется из нержавеющей стали для обечайки и трубной стороны, но также могут быть применены и другие сплавы.

Шаг 5: Тепловой расчет

На этом этапе инженер-проектировщик выполняет тепловой расчет. Задача состоит в том, чтобы получить коэффициенты теплопередачи со стороны оболочки и трубы. Эти коэффициенты зависят от четырех ключевых параметров жидкости и скорости движения жидкости.

 Связь между параметрами и коэффициентами теплопередачи определяется в математической формуле, которая является специфичной для геометрии (т. е. типа используемого теплообменника: трубчатый, пластинчатый, гофрированный).

 Теплообменники HRS имеют свои специфические формулы для использования с гофрированными трубами.

При известных коэффициентах со стороны оболочки и трубы можно рассчитать общий коэффициент теплопередачи. Зная это значение, становится возможным рассчитать общую площадь теплопередачи, необходимую для применения.

Процедура проектирования кожухотрубного теплообменника

Диаметр трубной доски теплообменника формула

Конструкция кожухотрубного теплообменника представляет собой итеративный процесс, который проходит следующие этапы.

  1. Определите технологические требования к новому теплообменнику

  2. Выберите подходящий тип кожухотрубного теплообменника

  3. Определите конструктивные параметры, такие как количество проходов трубы, размер трубы, идентификатор оболочки и т.д.

  4. Расчеты и моделирование теплообменника для получения температуры горячей/холодной жидкости на выходе – выходе, скорости теплопередачи, перепада давления на сторонах корпуса/трубы и т.д.

  5. Проверка выходного сигнала осуществляется в соответствии с технологическими требованиями

    • Если результат соответствует технологическим требованиям, а стоимость находится в пределах бюджета, то завершите проектирование процесса и подготовьте лист спецификации теплообменника
    • Если проект не соответствует требованиям процесса или превышает бюджет, вернитесь к шагу 3, измените параметры проекта и повторите этот процесс снова.
  1. Есть несколько уравнений, которые очень важны для расчетов, которые мы должны выполнить в процессе проектирования теплообменника.
  2. Уравнения кожухотрубного теплообменника
  3. Вот список всех важных уравнений кожухотрубного теплообменника.
  4. Общее уравнение теплопередачи
  5. Общая теплопередача в любом теплообменнике определяется следующим уравнением:
  6. Уравнение 1

Диаметр трубной доски теплообменника формула

  • Где: 
  • Q = общая скорость теплопередачиU = Общий коэффициент теплопередачиAОбщая = Общая поверхность теплопередачи ares
  • LMTD = Логарифмическая Средняя разность температур
  • Уравнение LMTD

Логарифмическая средняя разность температур – это средняя количественная оценка разности температур между сторонами оболочки и трубки. Он рассчитывается по следующему уравнению.

Уравнение 2

Диаметр трубной доски теплообменника формула

  1. Где:
  2. ΔT1 → разница температур между горячей и холодной жидкостями на одном конце теплообменникаΔT2 → разница температур между горячей и холодной жидкостями на другом конце теплообменника.
  3. LMTD с поправочным коэффициентом

Однако LMTD действителен только для теплообменника с одним проходом оболочки и одним проходом трубы. При многократном числе проходов кожуха и трубы схема течения в теплообменнике не является ни чисто попутной, ни чисто противоточной.

 Следовательно, для учета геометрической неравномерности логарифмическая средняя разность температур (LMTD) должна быть умножена на поправочный коэффициент Средней разности температур (MTD) (FT), чтобы получить Скорректированную среднюю разность температур (Corrected MTD).

Уравнение 3

Диаметр трубной доски теплообменника формула

Эта формула поможет вам быстро рассчитать поправочный коэффициент LMTD для кожухотрубного теплообменника с несколькими боковыми проходами кожуха или трубы.

Количество труб в зависимости от требуемой площади теплопередачи

Количество труб, необходимых в кожухотрубном теплообменнике (NT), может быть рассчитано с использованием следующего уравнения, основанного на общем требовании к площади теплопередачи.

Уравнение 4

Диаметр трубной доски теплообменника формула

  • Где мы получаем AВ целом (общая требуемая площадь теплопередачи) из уравнения скорости теплопередачи (Уравнение-1).OD-наружный диаметр выбранной трубы
  • L-общая длина трубы.
  • Это уравнение довольно прямолинейно основано на геометрии выбранного кожухотрубного теплообменника.

Скорость жидкости со стороны трубки

Скорость со стороны трубы важна для оценки числа Рейнольдса на стороне трубы, а затем для получения коэффициента теплопередачи для жидкости со стороны трубы. Мы можем использовать следующее уравнение для боковой скорости трубы.

Уравнение 5

Диаметр трубной доски теплообменника формула

  1. Где
  2. m = массовый расход со стороны трубыNP = Количество проходов трубы
  3. NT = Количество трубρ = Плотность жидкости со стороны трубы
  4. ID = внутренний диаметр трубы
  5. Далее, число Рейнольдса для жидкости со стороны трубки вычисляется как
  6. Уравнение 6

Диаметр трубной доски теплообменника формула

Здесь μ-вязкость жидкости со стороны трубки

Общее уравнение коэффициента теплопередачи

Когда у нас есть ручка для области теплопередачи (AВ целом) и разности температур (LMTD), единственное оставшееся неизвестным в уравнении теплопередачи (Уравнение-1) – это общий коэффициент теплопередачи (U). Мы можем использовать следующее уравнение для получения общего коэффициента теплопередачи кожухотрубного теплообменника.

Уравнение 7

Диаметр трубной доски теплообменника формула

  • Где
  • ho = стороне раковины коэффициент теплопередачиhi = пробка сторона коэффициент теплопередачиRdo = стороне раковины грязь факторRdi = пробка боковые грязи-факторOD и ID соответственно наружный и внутренний диаметры для выбранного размера пробкиAo и Ai это наружная и внутренняя поверхности значения для труб
  • kw это значение сопротивления на стенки трубы

Обратите внимание, что этот общий коэффициент теплопередачи рассчитывается исходя из площади наружной поверхности трубы (Ао). Поэтому его необходимо умножить на значение Ао для использования в общем уравнении теплопередачи.

Расчеты кожухотрубных теплообменников

Диаметр трубной доски теплообменника формула

Мы уже видели, что проектирование кожухотрубного теплообменника-это итеративный процесс. Часто инженеры предпочитают использовать программное обеспечение для проектирования теплообменника для создания модели теплообменника. Затем вы можете использовать эту модель для моделирования работы теплообменника и проверки его соответствия вашим технологическим требованиям.

  1. Однако если вы решите вручную выполнить расчет размеров теплообменника, вот несколько шагов, которые могут вам помочь.
  2. Рекомендуемые шаги
  3. Вот некоторые рекомендуемые шаги для использования уравнений конструкции теплообменника: 
  1. Зафиксируйте значения температуры на входе/выходе

  2. Вычислить LMTD

  3. Выберите трубу кожухотрубного теплообменника (TEMA) .

  4. Определитесь с геометрией оболочки и трубы

  5. Вычислить площадь теплопередачи на основе выбранной геометрии (Общая)

  6. Получить общий коэффициент теплопередачи (U), используя подходящую эмпирическую корреляцию для данной жидкости – например, уравнение Седера-Тейта

  7. Рассчитайте общую скорость теплопередачи (Q), используя уравнение-1

  8. Проверка Q соответствует потере/получению тепла через изменение температуры на горячей и холодной стороне. Это основной энергетический баланс на жидкостях со стороны оболочки / трубки.

  9. Проверьте перепад давления на стенках корпуса и трубки. Соответствует ли это допустимому перепаду давления в соответствии с технологическими требованиями?

  10. Если конструкция адекватна в соответствии с технологическими требованиями, проверьте предварительные материальные затраты. Они в рамках бюджета?

  11. Если какая-либо из проверок проекта или бюджета не удается, вернитесь к шагу 4 и повторите процесс, пока не получите удовлетворительную конструкцию теплообменника оболочки и трубки.

Читайте также:  Удельное сопротивление проводников: меди, алюминия, стали

Если все вышеизложенное слишком сложно для вас или у вас остались вопросы, наши теплотехники со стажем более 20 лет помогут с расчетами и установкой: 

Напишите нам на email и мы поможем

Подписывайтесь на наш Телеграм канал, там всегда много полезного и интересного.

Основы расчета теплообменных аппаратов. Расчет теплообменников смешения, страница 4

Конструктивный расчет. Задачей конструктивного расчета теплообменных
аппаратов является определение основных размеров аппаратов и выбор их общей
компоновки. Исходными данными для конструктивного расчета являются результаты
теплового расчета: расходы теплоносителей, скорости их движения, начальные и
конечные температуры, поверхность теплообмена.

Для трубчатых аппаратов конструктивный расчет сводится к определению
числа или длины труб, размещению их в трубной решетке (с учетом числа ходов) и
нахождению диаметра и высоты аппарата. Расчету подлежат также диаметры
патрубков штуцеров теплообменника.

Общее число труб теплообменника  при их
среднем диаметре  и принятой длине  определяют по поверхности теплообмена

                                          .                                       (23.27)

При заданном расходе жидкости  и
принятой скорости ее движения  по трубам с внутренним
диаметром  число труб одного хода

                                         .                                      (23.28)

Число ходов в трубном пространстве теплообменника

                                            .                                         (23.29)

В многоходовых аппаратах рекомендуется выбирать четное число ходов, тогда
отвод и подвод теплоносителя к теплообменнику осуществляется у одной крышки.

Внутренний диаметр кожуха теплообменника  определяется
числом трубок, размещаемых в трубной решетке. Отверстия для труб в трубных решетках
размещают равномерно по всему сечению.

Такое размещение сравнительно легко
осуществляется в одноходовом теплообменнике. В многоходовых теплообменниках,
имеющих перегородки, размещение труб производят обычно графическим путем.

По
геометрической конфигурации различают размещение трубок по вершинам правильных
многоугольников и по концентрическим окружностям.

Диаметр трубной доски теплообменника формула
Диаметр трубной доски теплообменника формула

где  –
число труб, размещающихся на диаметре трубной решетки:

Диаметр трубной доски теплообменника формула
Диаметр трубной доски теплообменника формула

Диаметр трубной решетки или внутренний диаметр кожуха теплообменника

Диаметр трубной доски теплообменника формула

Рабочая длина  одной трубы

Полная высота теплообменника

Диаметр трубной доски теплообменника формула

  • где – толщина трубной решетки (для стальных труб Диаметр трубной доски теплообменника формула мм, для медных труб Диаметр трубной доски теплообменника формула мм);  –
    высота камеры (крышки), Диаметр трубной доски теплообменника формула м.
  • Змеевики располагают в аппаратах таким образом, чтобы они по всей
    высоте находились в жидкости и со всех сторон не доходили до стенок аппарата на
    0,25 – 0,4 м.
  • При известном внутреннем диаметре аппарата  диаметр
    витка змеевика  составит

                                .                             (23.35)

Общая длина труб змеевика

                                          .                                       (23.36)

Длина одного витка  змеевика

                                           .                                       (23.37)

  1. Число витков  змеевика определяют из
    зависимости
  2.                                         ,                                     (23.38)
  3. где  –
    расстояние между витками по вертикали, .
  4. Для пластинчатых теплообменников при конструктивном расчете определяют:
    размеры пластин и число каналов в одном пакете, число пластин в каждом пакете и
    число пакетов в аппарате, общее число пластин и основные размеры аппарата.
  5. Число параллельных каналов в пакете для каждой среды
  6.                                             ,                                        (23.39)
  7. где  –
    площадь поперечного сечения пакета,  ( – объемный расход теплоносителя,  – его скорость);  – площадь сечения одного
    межпластинчатого канала.

Тепловой расчет теплообменных аппаратов

Теплообменный аппарат – это устройство, обеспечивающее передачу тепла между средами, разнящимися по температуре. Для обеспечения тепловых потоков различного количества конструируются разные теплообменные устройства.

Они могут иметь разные формы и размеры в зависимости от требуемой производительности, но основным критерием выбора агрегата является площадь его рабочей поверхности.

Она определяется с помощью теплового расчета теплообменника при его создании или эксплуатации.

  • Расчет может нести в себе проектный (конструкторский) или проверочный характер.
  • Конечным результатом конструкторского расчета является определение площади поверхности теплообмена, необходимой для обеспечения заданных тепловых потоков.
  • Проверочный расчет, напротив, служит для установления конечных температур рабочих теплоносителей, то есть тепловых потоков при имеющейся площади поверхности теплообмена.

Соответственно, при создании устройства проводится конструкторский расчет, а при эксплуатации – проверочный. Оба расчета идентичны и, по сути, являются взаимообратными.

  1. Основой для расчета теплообменников являются уравнения теплопередачи и теплового баланса.
  2. Уравнение теплопередачи имеет следующий вид:
  3. Q = F‧k‧Δt, где:
  • Q – размер теплового потока, Вт;
  • F – площадь рабочей поверхности, м2;
  • k – коэффициент передачи тепла;
  • Δt – разница между температурами носителей на выходе в аппарат и на выходе из него. Также величина называется температурным напором.

Как можно заметить, величина F, являющаяся целью расчета, определяется именно через уравнение теплопередачи. Выведем формулу определения F:

F = Q/ k‧Δt

Уравнение теплового баланса учитывает конструкцию самого аппарата. Рассматривая его можно определить значения t1 и t2 для дальнейшего вычисления F. Уравнение выглядит следующим образом:

Q = G1cp1(t1вх-t1вых) = G2cp2(t2вых-t2вх), где:

  • G1 и G2 – расходы масс греющего и нагреваемого носителей соответственно, кг/ч;
  • cp1 и cp2 – удельные теплоемкости (принимаются по нормативным данным), кДж/кг‧ ºС.

В процессе обмена тепловой энергией носители изменяют свои температуры, то есть в устройство каждый из них входит с одной температурой, а выходит – с другой. Эти величины (t1вх;t1вых и t2вх;t2вых) являются результатом проверочного расчета, с которым сравниваются фактические температурные показатели теплоносителей.

Вместе с тем большое значение имеют коэффициенты теплоотдачи несущих сред, а также особенности конструкции агрегата. При детальных конструкторских расчетах составляются схемы теплообменных аппаратов, отдельным элементом которых являются схемы движения теплоносителей. Сложность расчета зависит от изменения коэффициентов теплопередачи k на рабочей поверхности.

Для учета этих изменений уравнение теплопередачи принимает дифференциальный вид:

Диаметр трубной доски теплообменника формула

Такие данные, как коэффициенты теплоотдачи носителей, а также типовые размеры элементов при конструировании аппарата или при проверочном расчете, учитываются в соответствующих нормативных документах (ГОСТ 27590).

Для большей наглядности представим пример конструкторского расчета теплообмена. Этот расчет имеет упрощенный вид, и не учитывает потерь теплоты и особенностей конструкции теплообменного аппарата.

Исходные данные:

  • Температура греющего носителя при входе t1вх = 14 ºС;
  • Температура греющего носителя при выходе t1вых = 9 ºС;
  • Температура нагреваемого носителя при входе t2вх = 8 ºС;
  • Температура нагреваемого носителя при выходе t2вых = 12 ºС;
  • Расход массы греющего носителя G1 = 14000 кг/ч;
  • Расход массы нагреваемого носителя G2 = 17500 кг/ч;
  • Нормативное значение удельной теплоемкости ср =4,2 кДж/кг‧ ºС;
  • Коэффициент теплопередачи k = 6,3 кВт/м2.
  • 1) Определим мощность теплообменного аппарата с помощью уравнения теплового баланса:
  • Qвх = 14000‧4,2‧(14 – 9) = 294000 кДж/ч
  • Qвых = 17500‧4,2‧(12 – 8) = 294000 кДж/ч

Qвх = Qвых. Условия теплового баланса выполняются. Переведем полученную величину в единицу измерения Вт. При условии, что 1 Вт = 3,6 кДж/ч, Q = Qвх = Qвых = 294000/3,6 = 81666,7 Вт = 81,7 кВт.

2) Определим значение напора t. Он определяется по формуле:

Диаметр трубной доски теплообменника формула

  1. 3) Определим площадь поверхности теплообмена с помощью уравнения теплопередачи:
  2. F = 81,7/6,3‧1,4 = 9,26 м2.
  3. Как правило, при проведении расчета не все идет гладко, ведь необходимо учитывать всевозможные внешние и внутренние факторы, влияющие на процесс обмена теплом:
  • особенности конструкции и работы аппарата;
  • потери энергии при работе устройства;
  • коэффициенты теплоотдачи тепловых носителей;
  • различия в работе на разных участках поверхности (дифференциальный характер) и т.д.
Читайте также:  Как делают спираль из трубы

Вы можете самостоятельно провести тепловой расчет на основе уравнений выше и получить результат в pdf-формате (в полях «Допустимые потери», «Давление расч.» и «Tmax» можно указать произвольные данные, единственное ограничение: Tmax > t1).

ВАЖНО: Для наиболее точного и достоверного расчета инженер должен понимать сущность процесса передачи тепла от одного тела к другому. Также он должен быть максимально обеспечен необходимой нормативной и научной литературой, поскольку в расчете на множество величин составлены соответствующие нормы, которых специалист обязан придерживаться.

Что мы получаем в результате расчета и в чем его конкретное применение?

Допустим, что на предприятие поступил заказ. Необходимо изготовить тепловой аппарат с заданной поверхностью теплообмена и производительностью. То есть перед предприятием не стоит вопрос размеров аппарата, но стоит вопрос материалов, которые обеспечат нужную производительность с заданной рабочей площадью.

Для решения данного вопроса производится тепловой расчет, то есть определяются температуры теплоносителей на входе и выходе из аппарата. Исходя из этих данных выбираются материалы для изготовления элементов устройства.

В конечном итоге, можно сказать, что рабочая площадь и температура носителей на входе и выходе из аппарата – основные взаимосвязанные показатели качества работы теплообменника. Определив их путем теплового расчета инженер сможет разработать основные решения для конструирования, ремонта, контроля и поддержания работы теплообменников.

В следующей статье мы рассмотрим назначение и особенности механического расчета теплообменника, поэтому подписывайтесь на нашу e-mail рассылку и новости в соц сетях, чтобы не пропустить анонс.

Подбор теплообменного оборудования

Задача 1

Поток горячего продукта, выходящего из реактора, необходимо охладить с начальной температуры t1н = 95°C до конечной температуры t1к = 50°C, для этого его направляют в холодильник, куда подают воду с начальной температурой t2н = 20°C. Требуется рассчитать ∆tср в условиях прямотока и противотока в холодильнике.

  • Решение: 1) Конечная температура охлаждающей воды t2к в условии прямоточного движения теплоносителей не может превысить значение конечной температуры горячего теплоносителя (t1к = 50°C), поэтому примем значение t2к = 40°C.
  • Рассчитаем средние температуры на входе и выходе из холодильника:
  • ∆tн ср = 95 – 20 = 75;
  • ∆tк ср = 50 – 40 = 10
  • ∆tср = 75 – 10 / ln(75/10) = 32,3 °C
  • 2) Конечную температуру воды при противоточном движении примем такой же, как и при прямоточном движении теплоносителей t2к = 40°C.
  • ∆tн ср = 95 – 40 = 55;
  • ∆tк ср = 50 – 20 = 30
  • ∆tср = 55 – 30 / ln(55/30) = 41,3°C
  • Задача 2.

Используя условия задачи 1 определить требуемую поверхность теплообмена (F) и расход охлаждающей воды (G). Расход горячего продукта G = 15000 кг/ч , его теплоемкость С = 3430 Дж/кг·град (0,8 ккал·кг·град). Охлаждающая вода имеет следующие значения: теплоемкость с = 4080 Дж/кг·град (1 ккал·кг·град), коэффициент теплопередачи k = 290 Вт/м2·град (250 ккал/м2*град).

  1. Решение: Используя уравнение теплового баланса, получим выражение для определения теплового потока при нагревании холодного теплоносителя:
  2. Q = Qгт = Qхт
  3. откуда: Q = Qгт = GC (t1н – t1к) = (15000/3600)·3430·(95 – 50) = 643125 Вт
  4. Принимая t2к = 40°C, найдем расход холодного теплоносителя:
  5. G = Q/ c(t2к – t2н) = 643125/ 4080(40 – 20) = 7,9 кг/сек = 28 500 кг/ч
  6. Требуемая поверхность теплообмена
  7. при прямотоке:
  8. F = Q/k·∆tср = 643125/ 290·32,3 = 69 м2
  9. при противотоке:
  10. F = Q/k·∆tср = 643125/ 290·41,3 = 54 м2
  11. Задача 3

На производстве осуществляется транспорт газа по стальному трубопроводу наружным диаметром d2 = 1500 мм, толщиной стенки δ2 = 15 мм, теплопроводностью λ2 = 55 Вт/м·град.

Внутри трубопровод футерован шамотным кирпичом, толщина которого δ1 = 85 мм, теплопроводность λ1 = 0,91 Вт/м·град.

Коэффициент теплоотдачи от газа к стенке α1 = 12,7 Вт/м2·град, от наружной поверхности стенки к воздуху α2 = 17,3 Вт/м2·град. Требуется найти коэффициент теплопередачи от газа к воздуху.

  • Решение: 1) Определим внутренний диаметр трубопровода:
  • d1 = d2 – 2·(δ2 + δ1) = 1500 – 2(15 + 85) = 1300 мм = 1,3 м
  • средний диаметр футеровки:
  • d1 ср = 1300 + 85 = 1385 мм = 1,385 м
  • средний диаметр стенки трубопровода:
  • d2 ср = 1500 – 15 = 1485 мм = 1,485 м
  • Рассчитаем коэффициент теплопередачи по формуле:
  • k = [(1/α1)·(1/d1) + (δ1/λ1)·(1/d1 ср)+(δ2/λ2)·(1/d2 ср)+(1/α2)]-1 = [(1/12,7)·(1/1,3) + (0,085/0,91)·(1/1,385)+(0,015/55)·(1/1,485)+(1/17,3)]-1 = 5,4 Вт/м2·град
  • Задача 4

В одноходовом кожухотрубчатом теплообменнике осуществляется подогрев метилового спирта водой с начальной температуры 20 до 45 °C. Поток воды охлаждается с температуры 100 до 45 °C.

Трубный пучек теплообменника содержит 111 труб, диаметр одной трубы 25х2,5 мм. Скорость течения метилового спирта по трубкам 0,8 м/с (w). Коэффициент теплопередачи равен 400 Вт/м2·град.

Определить общую длину трубного пучка.

  1. Решение:
  2. Определим среднюю разность температур теплоносителей как среднелогарифмическое.
  3. ∆tн ср = 95 – 45 = 50;
  4. ∆tк ср = 45 – 20 = 25
  5. ∆tср = 50 + 25 / 2 = 37,5°C
  6. Далее определим среднюю температуру теплоносителя протекающего по трубному пространству.
  7. ∆tср = 45 + 20 / 2 = 32,5°C
  8. Определим массовый расход метилового спирта.
  9. Gсп = n·0,785·dвн2·wсп·ρсп = 111·0,785·0,022·0,8· = 21,8
  10. ρсп = 785 кг/ м3 – плотность метилового спирта при 32,5°C найдена из справочной литературы.
  11. Затем определим тепловой поток.
  12. Q = Gспссп (tк сп – tн сп) = 21,8·2520 (45 – 20) = 1,373·106 Вт
  13. cсп = 2520 кг/ м3– теплоемкость метилового спирта при 32,5°C найдена из справочной литературы.
  14. Определим требуемую поверхность теплообмена.
  15. F = Q/ K∆tср = 1,373·106/ (400·37,5) = 91,7 м3
  16. Вычислим общую длину трубного пучка по среднему диаметру труб.
  17. L = F/ nπdср = 91,7/ 111·3,14·0,0225 = 11,7 м.
  18. В соответствии с рекомендациями следует разбить общую длину трубного пучка на несколько секций предлагаемого стандартного размера с обеспечением необходимого запаса по поверхности теплообмена.
  19. Задача 5

Для нагрева потока 10-% раствора NaOH от температуры 40°C до 75°C используют пластинчатый теплообменный аппарат. Расход гидроксида натрия составляет 19000 кг/ч.

В качестве нагревающего агента используется конденсат водяного пара, его расход составляет 16000 кг/ч, начальная температура 95°C. Принять коэффициент теплообмена равный 1400 Вт/м2·град.

Необходимо произвести расчет основных параметров пластинчатого теплообменного аппарата.

  • Решение: Найдем количество передаваемого тепла.
  • Q = Gрср (tк р – tн р) = 19000/3600 · 3860 (75 – 40) = 713 028 Вт
  • Из уравнения теплового баланса определим конечную температуру конденсата.
  • tк х = (Q·3600/Gкск) – 95 = (713028·3600)/(16000·4190) – 95 = 56,7°C
  • ср,к – теплоемкость раствора и конденсата найдены из справочных материалов.
  • Определение средних температур теплоносителей.
  • ∆tн ср = 95 – 75 = 20;
  • ∆tк ср = 56,7 – 40 = 16,7
  • ∆tср = 20 + 16,7 / 2 = 18,4°C
  • Определим сечение каналов, для расчета примем массовую скорость конденсата Wк = 1500 кг/м2·сек.
  • S = G/W = 16000/3600·1500 = 0,003 м2
  • Принимая ширину канала b = 6 мм, найдем ширину спирали.
  • B = S/b = 0,003/ 0,006 = 0,5 м
  • Исходя из рекомендаций примем ширину спирали согласно ближайшему большему табличному значению B = 0,58 м.
  • Произведем уточнение сечения канала
  • S = B·b = 0,58·0,006 = 0,0035 м2
  • и массовой скорости потоков
  • Wр = Gр/S = 19000/ 3600·0,0035 = 1508 кг/ м3·сек
  • Wк = Gк/S = 16000/ 3600·0,0035 = 1270 кг/ м3·сек
  • Определение поверхности теплообмена спирального теплообменника осуществляется следующим образом.
  • F = Q/K∆tср = 713028/ (1400·18,4) = 27,7 м2
  • Определим рабочую длину спирали
  • L = F/2B = 27,7/(2·0,58) = 23,8 м
  • Далее необходимо определить шаг спирали, при этом задаем толщину листа δ=5 мм.
  • t = b + δ = 6 + 5 = 11 мм
  • Для вычисления числа витков каждой спирали необходимо принять начальный диаметр спирали исходя из рекомендаций d = 200 мм.
  • N = (√(2L/πt)+x2) – x = (√(2·23,8/3,14·0,011)+8,62) – 8,6 = 29,5
  • где х = 0,5 (d/t – 1) = 0,5 (200/11 – 1) = 8,6
  • Наружный диаметр спирали определяется следующим образом.
  • D = d + 2Nt + δ = 200 + 2·29,5·11 + 5 = 860 мм.
  • Задача 6

Определить гидравлическое сопротивление теплоносителей создаваемое в четырехходовом пластинчатом теплообменном аппарате с длиной каналов 0,9 м и эквивалентным диаметром 7,5 ·10-3 при охлаждении бутилового спирта водой.

Бутиловый спирт имеет следующие характеристики расход G = 2,5 кг/с, скорость движения W = 0,240 м/с и плотность ρ = 776 кг/м3(Критерий Рейнольдса Re = 1573 > 50).

Охлаждающая вода имеет следующие характеристики расход G = 5 кг/с, скорость движения W = 0,175 м/с и плотность ρ = 995 кг/м3 (Критерий Рейнольдса Re = 3101 > 50).

  1. Решение: Определим коэффициент местного гидравлического сопротивления.
  2. ζбс = 15/Re 0,25 = 15/15730,25 = 2,38
  3. ζв = 15/Re 0,25 = 15/31010,25 = 2,01
  4. Уточним скорость движения спирта и воды в штуцерах (примем dшт = 0,3м)
  5. Wшт = Gбс/ρбс0,785dшт2 = 2,5/776 ·0,785·0,32 = 0,05 м/с менее 2 м/с поэтому можно не учитывать.
  6. Wшт = Gв/ρв0,785dшт2 = 5/995 ·0,785·0,32 = 0,07 м/с менее 2 м/с поэтому можно не учитывать.
  7. Определим значение гидравлического сопротивления для бутилового спирта и охлаждающей воды.
  8. ∆Рбс = хζ·(l/d) · (ρбсw2/2) = (4·2,38·0,9/ 0,0075)·(776·0,2402/2) = 25532 Па
  9. ∆Рв = хζ·(l/d) · (ρвw2/2) = (4·2,01·0,9/ 0,0075)·(995·0,1752/2) = 14699 Па.
Читайте также:  Описание различных видов сварки и их особенностей

Расчет теплообменника пластинчатого

Данные теплоносителей при техническом расчете оборудования должны быть обязательно известны. Среди этих данных должны быть: физико-химические свойства, расход и температуры (начальная и конечная). Если данные одного из параметров не известны, то его определяют с помощью теплового расчета.

Тепловой расчет предназначен для определения основных характеристик устройства, среди которых: расход теплоносителя, коэффициент теплоотдачи, тепловая нагрузка, средняя разница температур. Находят все эти параметры с помощью теплового баланса.

Давайте рассмотрим пример общего расчета.

В аппарате теплообменника тепловая энергия циркулирует от одного потока к другому. Это происходит в процессе нагрева или охлаждения.

  • Q = Qг= Qх
  • Q – количество теплоты передаваемое или принимаемое теплоносителем [Вт],
  • Откуда:
  • Qг = Gгcг·(tгн – tгк) и Qх = Gхcх·(tхк – tхн)
  • где:
  • Gг,х
    – расход горячего и холодного теплоносителей [кг/ч];
    сг,х – теплоемкости горячего и холодного теплоносителей [Дж/кг·град];
    tг,х н – начальная температура горячего и холодного теплоносителей [°C];
    tг,х к
    – конечная температура горячего и холодного теплоносителей [°C];

При этом, учитывайте, что количество входящей и выходящей теплоты во много зависит от состояния теплоносителя. Если в процессе работы состояние стабильно, то расчет производим по формуле выше. Если хоть один теплоноситель меняет свое агрегатное состояние, то расчет входящего и выходящего тепла стоит производить по формуле ниже:

  1. Q = Gcп·(tп – tнас)+ Gr + Gcк·(tнас – tк)
  2. где:
  3. r – теплота конденсации [Дж/кг];
    сп,к – удельные теплоемкости пара и конденсата [Дж/кг·град];

    – температура конденсата на выходе из аппарата [°C].
  4. Первый и третий члены стоит исключать из правой части формулы, если конденсат не охлаждается. Исключив эти параметры, формула будет иметь следующее выражение:
  5. Qгор= Qконд= Gr
  6. Благодаря данной формуле определяем расход теплоносителя:
  7. Gгор= Q/cгор(tгн– tгк) или Gхол= Q/cхол(tхк– tхн)
  8. Формула для расхода, если нагрев идет паром:
  9. Gпара = Q/ Gr
  10. где:
  11. G – расход соответствующего теплоносителя [кг/ч];
    Q – количество теплоты [Вт];
    с – удельная теплоемкость теплоносителей [Дж/кг·град];
    r – теплота конденсации [Дж/кг];
    tг,х н – начальная температура горячего и холодного теплоносителей [°C];
    tг,х к – конечная температура горячего и холодного теплоносителей [°C].

Основная сила теплообмена – разница между его составляющими. Это связано с тем, что проходя теплоносители, температура потока меняется, в связи с этим меняются и показатели разницы температур, поэтому для подсчетов стоит использовать среднестатистическое значение. Разницу температур в обоих направлениях движения можно высчитать с помощью среднелогарифмического:

∆tср = (∆tб – ∆tм) / ln (∆tб/∆tм) где ∆tб, ∆tм
– большая и меньшая средняя разность температур теплоносителей на входе и выходе из аппарата.

Определение при перекрестном и смешанном токе теплоносителей происходит по той же формуле с добавлением поправочного коэффициента
∆tср = ∆tср ·fпопр .

Коэффициент теплопередачи может быть определен следующим образом:

  • 1/k = 1/α1 + δст/λст + 1/α2 + Rзаг
  • в уравнении:
  • δст
    – толщина стенки [мм];
    λст
    – коэффициент теплопроводности материала стенки [Вт/м·град];
    α1,2 – коэффициенты теплоотдачи внутренней и внешней стороны стенки [Вт/м2·град];
    Rзаг – коэффициент загрязнения стенки.

Как Рассчитать Теплообменник

Как рассчитать трубчатый теплообменник?

Компания HRS Heat Exchangers проектирует и изготавливает теплообменники каждый день. В этом разделе мы кратко описываем этапы проектирования.

Этап 1: Определение и анализ применения теплообменника

Когда мы получаем запрос на теплообменник, то первым шагом становится анализ применения. Где клиент хочет использовать теплообменник? Теплообменник используется для пищевых продуктов или это другая отрасль промышленности? Инженер-проектировщик должен выбрать оптимальный тип теплообменника, чтобы соответствовать требованиям заказчика.

  • Расчётные температура и давление, максимально допустимый перепад давления определяются для всех теплоносителей, включая продукт.
  • Этап 2: Определение свойств жидкости
  • Следующий шаг – анализ теплофизических свойств используемых жидкостей и/или газов: протекающие в межтрубном и внутритрубном пространствах. Необходимо знать четыре основных свойств среды:
  • Плотность
  • Удельная теплоемкость
  • Теплопроводность
  • Вязкость

На этом шаге важно определить значения всех четырех параметров при разных температурах как при нагреве, так и при охлаждении. Чем достоверней мы определим теплофизические свойства, тем точнее будет конструкция трубчатого теплообменника.

Этап 3: Тепловой баланс

Когда свойства жидкостей определены, то необходимо проверить тепловой баланс. Обычно заказчик предоставляет данные по расходу рабочей среды, желаемую температуру на входе и выходе.

Расход и температуры определяют тип сервисной среды, которая будет использоваться для нагрева или охлаждения рабочей жидкости в теплообменнике. Заказчик обычно предоставляет значения двух трех параметром сервисной среды: расход, температуру на входе или температуру на выход.

Если два их этих параметров известны, то третий параметр определяется из теплового баланса.

Этап 4: Определение геометрии теплообменников

На этом этапе инженер-проектировщик подбирает оптимальную геометрию теплообменника. В первую очередь определяется диаметр кожуха и трубный пучок, который размещается внутри теплообменника: количество, длина, диаметр и толщина внутренних трубок.

Затем выбирается тип и размер присоединений со стороны кожуха и трубного пространства. На этом этапе также выбирается материал для изготовления конкретного теплообменника.

Стандартные модели теплообменников HRS Heat Exchanger изготавливаются из нержавеющей стали, но также могут применяться и другие сплавы при необходимости.

Этап 5: Тепловой расчет теплообменника

На этом шаге инженер-проектировщик выполняет тепловой расчет. Цель расчета сводится к определению коэффициентов теплоотдачи на стороне кожуха и внутренних труб. Эти коэффициенты зависят от перечисленных выше теплофизических свойств продукта и скорости сред.

Зависимость между параметрами и коэффициентами теплоотдачи определяется по математической формуле, различной для конкретной геометрии (т. е. типа используемого теплообменника: трубчатый с гладкими трубами, пластинчатый, трубчатый со спиральной накаткой).

HRS Heat Exchangers использует свои специальные формулы для расчета теплообменников со спиральной накаткой труб.

При известных коэффициентах теплоотдачи на стороне трубки и межтрубного пространства можно рассчитать общий коэффициент теплопередачи. Зная это значение, можно определить общую площадь теплообмена, которая необходима для конкретного применения:

Area=Duty/[K×LMTD]

Где:

  • Area: общая площадь теплообмена, м².
  • Duty: Мощность/тепловая нагрузка, ккал/час (берется из теплового баланса).
  • K: Коэффициент теплопередачи, ккал/ч*м²*°C].
  • LMTD: Среднелогарифмический температурный напор, °C

Другой важный параметр – потери давления, которые рассчитывается как для трубного, так и для межтрубного пространств. Потери давления зависят от числа Рейнольдса, режима течения (турбулентное или ламинарное), шероховатости поверхностей кожуха и внутренних труб.

Этап 6: Анализ теплового расчета теплообменника

Полученная необходимая площадь теплообмена сравнивается с заложенной ранее теплообменной поверхностью на этапе 4, а также сверяются рассчитанные потери давления с максимально допустимыми. Если рассчитанная площадь теплообмена превышает заложенную на Этапе 4, то необходимо изменить геометрию теплообменника, например, увеличить количество внутренних труб или длину теплообменника.

Этап 7: Прочностной расчет теплообменника

На данном этапе выполняется прочностной расчет по полученной геометрии на Этапе 4, что необходимо для проверки конструкции теплообменника при работе с расчетными температурами и давлениями. Производятся следующие расчеты:

  • Расчет толщины стенки корпуса.
  • Расчет толщины стенки патрубков.
  • Расчет толщины стенки внутренних труб.
  • Расчет размеров сильфонного компенсатора (компенсирует разницу линейных расширений между кожухом и внутренними трубка теплообменника).
  • Расчет толщины трубной решетки.

Результаты данных расчетов могут не совпасть с толщинами стенок и других параметров, выбранных на этапе 4. В этом случае необходимо переопределить геометрию и повторить Этапы 4-7.

Этап 8: Подготовка рабочих чертежей

На рабочих чертежах представлены все необходимые размеры, а также отображены все элементы теплообменника, включая: корпус, трубы, компенсатор и т. д.

Загрузить брошюру компании

 

Для получения более подробной информации свяжитесь с нами

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector