Теплообменники типа «труба в трубе»

Одним из наиболее распространенных теплообменных рекуперативных аппаратов являются д в у х т р у б н ы е теплообменники типа «труба в трубе» (рис. 2.7).

Рис. 2.7. Схема элемента двухтрубного
противоточного теплообменного аппарата

Теплообменники этого типа представляют собой батарею из нескольких теплообменных элементов, расположенных один под другим. Каждый элемент состоит из внутренней трубы и охватывающей ее наружной трубы. Внутренние трубы отдельных элементов, также как и наружные трубы, соответственно, соединены между собой последовательно. Один теплоноситель движется в трубах, а другой – в межтрубном пространстве по кольцевым каналам между трубами.

Теплообмен между теплоносителями осуществляется через стенки внутренних труб. В двухтрубных теплообменниках обеспечивается высокая скорость теплоносителей (даже при малых расходах) и высокая интенсивность теплообмена. Однако эти теплообменники громоздки и металлоемки; поэтому их применяют преимущественно для проведения процессов нагревания и охлаждения при высоких давлениях. При необходимости создания больших поверхностей теплообмена устанавливают несколько параллельно соединенных батарей.

ЗАДАЧИ И ПОРЯДОК РАСЧЕТА
ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ

Различают конструктивный и поверочный тепловые расчеты теплообменных аппаратов.

Задачей конструктивногорасчета, который выполняется при проектировании аппарата, является определение поверхности теплообмена, необходимой для передачи заданного количества теплоты при заданных температурах сред.

При поверочномрасчете определяют конечные температуры сред и тепловую производительность для определенного аппарата, конструкция и поверхность которого известны. Поверочный расчет обычно производится для выяснения температурных показателей аппарата при режимах работы, отличных от расчетного.

При выполнении конструктивного теплового расчета должны быть известны (либо выбраны): тип аппарата, материалы для основных узлов, некоторые геометрические размеры (например, диаметр труб и т. п.), участвующие в теплообмене среды и температуры входа и выхода их из аппарата.

Конструктивный расчет выполняют в следующем порядке:

1) составляется тепловой баланс теплообменного аппарата;

2) определяется средняя разность температур между средами в теплообменном аппарате Dt_m;

3) определяются коэффициенты теплоотдачи теплой и холодной сред a_г и a_х;

4) определяется коэффициент теплопередачи теплообменного аппарата k и тепловая нагрузка (производительность) аппарата Q;

5) находится поверхность теплообмена F;

6) выбирается коэффициент запаса к найденной величине F;

7) уточняются принятые значения скоростей и проходных сечений;

8) определяются и сопоставляются с допустимыми гидравлические сопротивления обеих сред;

9) находятся мощности, необходимые для создания принятых скоростей движения, подбираются насосы и вентиляторы, обеспечивающие необходимые мощности и потери напора.

При поверочномрасчете должны быть известны: поверхность аппарата и основные размеры (диаметр труб, их число и расположение и др.), расходы рабочих сред и их температура на входе в аппарат.

Поверочный расчет теплообменного аппарата выполняется в следующем порядке:

1) определяются коэффициенты теплоотдачи сред;

2) определяется коэффициент теплопередачи теплообменного аппарата;

3) находятся величины изменений температур и и конечных температур и горячей и холодной жидкостей в аппарате;

4) определяется тепловая производительность теплообменного аппарата q.

Так как в начале этого расчета средние температуры жидкостей в аппарате ( и ) неизвестны, то при выполнении первых двух пунктов физические свойства жидкостей, входящие в уравнение для определения соответствующих коэффициентов теплоотдачи, находят по температурам на входе в аппарат ( и ). После определения и уточняют значения физических свойств, коэффициент теплопередачи k и пересчитывают значения температур.

ОСНОВНЫЕ УРАВНЕНИЯ

В основе теплового расчета теплообменного аппарата (конструктивного и поверочного) лежат два основных уравнения:

уравнение теплового баланса;

уравнение теплопередачи.

Уравнение теплового баланса для случая однофазных сред может быть записано в виде:

(2.43)

где Q – тепловая нагрузка (производительность) аппарата, т. е. тепло отдаваемое горячей и получаемое холодной средой в единицу времени, Вт;
G_г – массовый расход горячего теплоносителя, кг/с; c_р – изобарная удельная теплоемкость соответствующей жидкости, Дж/(кг×°С);

Индекс г указывает, что величины относятся к горячей среде, а индекс х – к холодной среде, индекс 1 обозначает величины у входа в теплообменный аппарат, 2 – у выхода.

Расход жидкости определяется по формуле:

(2.44)

где w – скорость жидкости, м/с; r – плотность жидкости, кг/м³ ;
S –площадь поперечного сечения, через которое движется поток жид-
кости, м².

Уравнение теплопередачи, из которого обычно определяют поверхность теплообмена (L – длина труб), имеет вид:

(2.45)

Разность между температурами сред по поверхности теплообменного аппарата изменяется и поэтому в уравнение теплопередачи используется средняя разность температур Dt_m, называемая средним температурным напором.

Характер изменения температур горячей и холодной жидкости по поверхности аппарата зависит от схемы их движения (рис. 2.8 ).

Рис 2.8. Схемы движения теплоносителей:
прямоток (а); противоток (6);смешанный (в) и перекрестный ток (г)

На рис. 2.9 показано изменение температур в случае прямотока и противотока.

Рис. 2.9. Характер изменения температур теплоносителей
при различных схемах движения жидкостей в аппарате:
а – прямоток; б – противоток

В тепловом расчете теплообменных аппаратов используется средняя логарифмическая разность температур , определяемая по формуле:

или

Расчет удобно производить по уравнению:

(2.46)

где Dt₁ и Dt₂ – разность между температурами сред на входе и выходе из аппарата ; Dt_б – большая, Dt_м – меньшая из этих разностей.

При одинаковых температурах жидкостей среднелогарифмический температурный напор Dt_mдля противотока всегда больше, чем для прямотока. При постоянной температуре одной из жидкостей средние температурные напоры при прямотоке и противотоке одинаковы.

Если то можно вместо среднелогарифмического напора использовать среднеарифметическое значение температурного напора:

(2.47)

Для более сложных схем движения жидкостей (смешанное, перекрестное и др.) средний температурный напор меньше Dt_mпротивотока и рассчитывается с учетом поправки, определяемой по справочникам как функция температур жидкостей.