Пластинчаті теплообмінники

Деякі елементи конструктивного розрахунку (число послідовно з’єднаних пакетів, число каналів в одному пакеті для кожного теплоносія) були розглянуті у розділі теплового розрахунку пластинчатого теплообмінника.

Розраховують діаметри штуцерів і підбирають стандартизовані фланці.

2.2.3. Спіральні теплообмінники [9]

1. Визначають розміри спірального теплообмінника.

Розрахунок геометричних розмірів теплообмінника проводять, виходячи з розмірів внутрішнього радіусу спіралей (згідно ГОСТ 12067 – 66 радіус дорівнює 150 мм), ширини каналу, тобто відстані між листами, і ширини стрічки, з якої здійснюють навивку.

Поверхня нагріву спірального теплообмінника, отримана тепловим розрахунком, зв’язана з розмірами спіралей співвідношенням

F = 2Lb_е, (2.69)

де L – ефективна довжина спіралі від точок m і n до точок M i N (рис. 2.7);

b_е – ефективна ширина спіралі, яка дорівнює ширині стрічки, яка навивається, за відрахуванням товщини металевих стрічок або прокладок, які розміщені всередині спіралей:

b_е ≈ b – 20 мм, (2.70)

Рис.2.7. Схема розрахунку де b – ширина штабу.

довжини каналу: 1 – зовнішній

канал; 2- внутрішній канал

Ефективну довжину спіралі визначають з врахуванням того, що зовнішній виток спіралі не приймає має участі у передачі теплоти.

Кожний виток будується по двох радіусах:

r₁ = d / 2; r₂ = r₁ + t, (2.71)

де t = δ + δ_ст - крок спіралі; δ – ширина каналу (зазор між спіралями); δ_ст – товщина листа.

Довжина першого витка

ℓ₁ = 2π(r₁ + r₂)/2 = π(r₁ + r₁ + t) = 2πr₁ + 2πt٠0,5.

Довжина другого витка ℓ₂ = 2πr₂ + 2πt٠2,5.

Довжина n – го витка ℓ_n = 2πr_n + 2πt(2n – 1,5).

Сумуючи, отримаємо довжину однієї спіралі

L = ℓ₁ + ℓ₂ + ٠٠٠+ℓ_n = 2πr₁n + πtn(2n – 1), (2.72)

звідки число витків, необхідне для отримання ефективної довжини, визначаємо за рівнянням:

. (2.73)

Число витків обох спіралей

N = 2n = , (2.74)

де d = 2r + t – внутрішній діаметр спірального теплообмінника.

Зовнішній діаметр спіралі з врахування товщини листа

D = d + 2Nt +δ_ст. (2.75)

Дійсна довжина листів спіралей між точками m і m^, для спіралі І і між точками n і n^, для спіралі ІІ (рис. 2.7) визначається за співвідношеннями:

L_І = L + 0,25π + а ₁; (2.76)

L_ІІ = L + . (2.77)

2. Розраховують штуцери для проходу теплоносіїв і підбирають стандартизовані фланці

3. Вибирають конструкцію вузла ущільнення каналів.

Можливі варіанти показані на рис. 2. 8.

Рис. 2.8. Ущільнення торців каналів:

а – тупикових; б – глухих; в – наскрізних

За способом ущільнення торців канали поділяються на три типи:

1. Тупикові канали, кожний з яких заварюється з протилежного боку за допомогою вставленої стрічки 1 (рис. 2.8, а). Такий спосіб ущільнення виключає змішування теплоносіїв при прориванні прокладки 2. Після зняття кришок обидва канали легко піддаються очищуванню. Цей спосіб ущільнення каналів найбільш поширений.

2. Глухі канали, в яких канал заварюється на торцях з обох боків (рис. 2.8, б). Недолік такого типу ущільнення полягає у неможливості чистки каналів.

3. Наскрізні канали, відкриті з торців (рис. 2.8, в). Ущільнення досягається за допомогою листового прокладочного матеріалу. Канали такого типу легко піддаються чистці, але основний їх недолік полягає у можливості перетоку теплоносія з одного каналу у другий.

Примітка. По причині малого масштабу і з метою більшої інформативності зварка на рис. 2.8 показана за старим ГОСТом.

2.2.4. Теплообмінники типу „труба в трубі”

Деякі елементи конструктивного розрахунку теплообмінника типу „труба в трубі” нерозривно зв’язані з тепловим розрахунком. Так, згідно приведеної методики теплового розрахунку (розділ 2.1.D): задаються числом Rе, визначають швидкості потоків, розраховують число ходів тощо. Але можна використати іншій алгоритм, показаний нижче.

- Задаються швидкістю руху теплоносія у внутрішній трубі (в межах 0,5 – 3 м/с);

- Розраховують внутрішній діаметр труби по залежності

d_вн = , (2.78)

позначення величин, що входять у (2.78) – дивись розділ 2.1.D.

- Приймають по ГОСТ 9930 – 78 теплообмінну трубу з діаметром, найближчим до розрахованого. Теплообмінні труби рекомендується приймати із зовнішнім діаметром 25; 38; 48; 57; 76; 89; 108; 133; 159 мм.

- Уточнюють швидкість руху теплоносія:

w₂ = G₂/(0,785ρ₂d²). (2.79)

- Розраховують внутрішній діаметр зовнішньої труби:

D_вн = , (2.80)

де S_мтр = G₁/(ρ₁w₁) – площа січення кільцевого простору, м²; w₁ – швидкість руху теплоносія у кільцевому просторі, м/с (задаються).

Приймають по ГОСТ кожухову трубу діаметром, найближчим до розрахованого. Кожухові труби рекомендується приймати із зовнішнім діаметром 57; 76; 89; 108; 133; 159; 219 мм.

- Уточнюють швидкість руху теплоносія у між трубному просторі:

w₂ = . (2.81)

- Розраховують числа Rе для внутрішньої труби і між трубного простору по залежностям (2.60) і (2.62). Бажано, щоби числа Rе відповідали турбулентному режиму. Якщо число Rе виявиться по розрахунку занадто великим (Rе > 15 000), треба збільшити діаметр трубопроводу, або зменшити швидкість і розрахувати кількість потоків теплообмінника по залежності (2.58).

Після розрахунку необхідної поверхні теплообміну визначають:

- Для однопоточного теплообмінника

- загальну довжину труби:

L = F/(πd_з); (2.82)

- приймаючи довжину теплообмінної поверхні такою, що дорівнює довжині кожухової труби, визначають число послідовно з’єднаних елементів теплообмінника:

z = L/ℓ, (2.83)

де ℓ - довжина кожухових труб (приймається 1,5;3,0;4,5; 6,0; 9,0; 12 м).

- Для багатопоточного теплообмінника (з кількістю n потоків):

- загальну довжину труби, що приходиться на один потік

L = F/(πd_зn); (2.84)

- аналогічно (2.82) – число елементів одного потоку.

Ще раз підкреслимо, що приведений конструктивний розрахунок треба узгодити з тепловим розрахунком і вибором стандартизованого теплообмінника.

За рівнянням (2.66) розраховують діаметри штуцерів, далі підбирають стандартизовані фланці, розраховують опори.

В залежності від умов теплообміну, характеристик теплоносіїв, заданої продуктивності, вибирають конструкцію теплообмінника, метод компоновки теплообмінних труб в блок, спосіб кріплення труб тощо.

Теплообмінники виготовляються однопоточними і багато поточними, нерозбірними і розбірними. Багато поточні теплообмінники мають камеру, з якої теплоносій рухається одночасно по декількох трубах.

Враховуючи відсутність достатньої графічної інформації у більшості підручників по процесах та апаратах хімічної технології, що стосується теплообмінників типу „труба в трубі”, на рис. 2.9 – 2. 11 показані деякі їх конструктивні особливості.

Рис. 2.9. Компоновка секцій нерозбірного однопоточного

теплообмінника в блок

Рис. 2.10. Будова однопоточного розбірного теплообмінника:

1 – теплообмінна труба; 2 – кожухова труба; 3 – опора;

4 – решітка кожухових труб; 5 – камера; 6 - перегородка

Рис. 2.11. Розбірний багато поточний теплообмінник

Теплообмінник, показаний на рис. 2.11, складається з кожухових труб 5, які розвальцовані в двох трубних решітках: середній 4 і правій 7. Всередині кожухових труб розміщені теплообмінні труби 6. Один кінець теплообмінних труб жорстко зв’язаний з лівою трубною решіткою 2, а другий може переміщуватися. Вільні кінці теплообмінних труб попарно з’єднані колінами 8 і закриті камерою 9. Для розподілу потоку теплоносія по теплообмінних трубах служить розподільча камера 1 з перегородкою 13, а для розподілу теплоносія у між трубному просторі – розподільча камера 3 з перегородкою 12. Пластинами 11 кожухові труби жорстко зв’язані з опорами 10.

Теплообмінник має сім потоків, два ходи по внутрішніх трубах і два по зовнішніх. Вузли з’єднання теплообмінних труб з трубною решіткою (вузол І) і з колінами (вузол ІІ) ущільнені за рахунок прижиму і деформації напівкульових ніпелів у конічних гніздах.

Оскільки можливість температурних подовжень кожухових труб внаслідок жорсткого з’єднання їх з опорами обмежена, перепад температур входу і виходу середовища, що рухається по кільцевому зазору, не повинен перевищувати 150⁰ С [10].

Дата добавления: 2017-02-01