iSswV45XbM

и= 20 ,39 о С.

где k – последнее уточненное значение коэффициента теплопередачи, а Q – тепловая мощность (тепловая нагрузка холодильника), – среднелогарифмический температурный напор между теплоносителями при выбранной схеме их движения. С учетом загрязнения увеличиваем поверхность на 10 %, т.е. = 1,1· 53,5 = 58,85 м2 .

Количество труб в пучке определится при заданном расходе холодного теплоносителя, принятой скорости и одноходовой схеме движения по формуле:

Аналогичным расчетом может быть определена длина L пучка труб между трубными досками:

Компоновка рассчитанной поверхности теплообмена

Компановка должна учитывать свойства теплоносителей. В рассматриваемом случае вода имеет хорошие теплопередающие свойства и поэтому выбрано её течение внутри трубок, в то время как масло – плохие и её движение предпочтительней между трубками пучка в поперечном направлении. В общем случае компоновочный расчет может быть произведен следующим образом.

Принимая по соображениям компактности 2-х ходовую схему движения холодного теплоносителя (Рис. 12), получим рабочую длину труб в 2 раза меньшую L, т. е. = 1,45 ≈ 1,5 м.

50

Рисунок 12. Пример многоходового теплообменника с 6 перегородками - А; схема движения теплоносителей - Б; - эффективная длина труб;

– шаг размещения сегментных перегородок

Уточняем количество труб, которое может разместиться в трубной доске, выбирая разбивку труб по сторонам правильных шестиугольников (см. Приложение 26), памятуя, что при 2-х ходовой схеме в трубной доске должно быть размещено количество трубок равное 2 nтр = 790. Из таблицы Приложения 26 видно, что ближайшее количество трубок в пучке равно 1519. Соответствующее этому числу трубок количество трубок a в диагонали внешнего шестиугольника пучка будет равно 45, число трубок aл одной стороны этого шестиугольника равно 23. Учитывая найденное значение a, а также принятый шаг расположения трубок S = 0,015м и рекомендуемое минимальное значение кольцевого зазора β = 0,006 м между крайними трубками и корпусом, рассчитываем внутренний диаметр D корпуса холодильника:

Определяем необходимую среднюю продольную площадь сечения f для прохода масла в межтрубном пространстве пучка, обеспечивающую заданную скорость масла wм = 1 м/с из уравнения неразрывности потока:

Определяем фактически имеющуюся при выбранной разбивке минимальную площадь прохода масла между трубками пучка:

51

Определяем число ходов между перегородками пучка труб, обеспечивающих проходное сечение f, необходимое для получения заданной скорости масла wм = 1 м/с, как отношение площадей fмин / f :

следовательно, число перегородок nп будет на 1 меньше, т. е. nп = nл - 1 = 3.

Определяем площадь сегмента fсег (Рис. 13) в перегородках, которая должна быть равна минимальной площади прохода f между перегородками:

Рисунок 13. Размеры сегментной перегородки: fсег – площадь сегмента; h – высота сегмента; β- кольцевой зазор между крайними трубками пучка и корпусом; – угол сегмента

Решая уравнение (5.49) относительно угла , находим его численное значение равное 73о.

Определяем высоту h сегмента перегородки по формуле:

h = ·[1- cos( )] = ·[1- cos( )] = 0,113 м. (5.50)

Гидравлическое сопротивление поперечному потоку масла

52

Гидравлическое сопротивление в пучке труб рассчитываем, прежде всего, как сумму местных сопротивлений сужения и расширения потока, поскольку сумма сопротивлений трения в этом случае будет пренебрежимо мала. При этом коэффициент местного сопротивления может быть рассчитан по формуле:

где m – число рядов трубок в пучке.

Перепад давления на длине одного хода определится формулой:

Гидравлическое сопротивление потоку охлаждающей воды в трубках пучка

Гидравлическое сопротивление потоку рассчитывается аналогично. Оно складывается из гидравлического сопротивления трения pтр (в данном случае при турбулентном неизотермическом течении) и местного

местные сопротивления определяются выражением

53

Контрольные вопросы самопроверки к 5-й главе

1.Объясните назначение вертикальных перегородок в теплообменнике, изображенном на Рис. 10.

2.Определите по Рис.10, какого типа трубные доски в теплообменнике, подвижного или неподвижного и выберите соответствующие им позиции.

3.Определите по Рис. 10, сколько ходов имеет теплоноситель в трубках пучка?

4.Определите, какая схема движения теплоносителей применена на Рис. 11?

54

5.Объясните, как влияет кольцевой зазор β между крайними трубками пучка и корпусом, изображенный на Рис. 13, на теплоотдачу в пучке и каков его рекомендуемый диапазон?

6.Объясните, на что влияет число ходов между перегородками пучка труб?

7.Напишите уравнение неразрывности потока теплоносителя в межтрубном пространстве пучка.

55

Глава 6. АЛГОРИТМ КОНСТРУКТИВНОГО РАСЧЕТА СЕКЦИОННОГО ТЕПЛООБМЕННИКА ТИПА «ТРУБА В ТРУБЕ»

Типичная схема движения теплоносителей и конструктивного устройства такого теплообменника показана на Рис. 14. Особенностью устройства является то, что одна труба концентрически расположена в другой большего диаметра. Внутренняя труба может иметь продольные ребра, которые приварены к ней внутри или снаружи для увеличения поверхности теплообмена и уменьшения термического сопротивления со стороны с более низким коэффициентом теплоотдачи.

Рисунок 14. Схема конструктивного устройства секционного теплообменника «труба в трубе»:1 – большая (наружная) труба; 2 – малая (внутренняя) труба; 3 – продольные ребра

Рисунок 15. Схема потоков в секционном теплообменнике типа «труба в трубе»; а – односекционный; б – двухсекционный

56

Для выполнения условий, которые ограничивают перепад давлений по каждому теплоносителю и применимости понятия средней разности температур, секции таких теплообменников соединяют или параллельно, или последовательно. Теплообменники «туба в трубе» используют в основном тогда, когда для охлаждения или нагрева одного из теплоносителей требуется небольшая поверхность теплообмена (не более 50 м2). Их преимущества – разнообразие компоновок, простота конструкции, быстрота сборки и монтажа на месте, эффективная очистка поверхности теплообмена по обеим сторонам. Основные недостатки – большие массогабаритные показатели, высокая стоимость на единицу поверхности теплообмена.

При эксплуатации таких теплообменников отложения на поверхности труб существенно зависят от её температуры, поэтому конструкции с развитой поверхностью (оребрённые) имеют при одной и той же тепловой нагрузке меньшую температуру, а, следовательно, и меньшие потери в теплопередаче. Теплообменники «труба в трубе» часто изготавливают в виде много секционных аппаратов, соединенных последовательно-параллельно, что позволяет при изменении расходов подключать или отключать параллельные секции без изменения скорости и температуры потоков жидкостей.

Расчет предполагает задание нижеследующих параметров:

…- расход горячего теплоносителя;

…- температуру входа горячего теплоносителя;

…- температуру выхода горячего теплоносителя; …- давление горячего теплоносителя;

…- расход холодного теплоносителя;

…- температура холодного теплоносителя;

…- количество трубок в каждой секции;

…- наружный диаметр трубок;

…- внутренний диаметр трубок;

…- материал внутренних трубок;

…- внутренний диаметр большой трубы;

…- длина каждой секции;

57

… - схема движения теплоносителей (прямоток или противоток).

Требуется определить - площадь поверхности теплообмена и число секций.

1 шаг

Определяют тепловую производительность Q теплообменника:

Из уравнения (6.1) находят температуру голодного теплоносителя на выходе .

температуры, её значение находят из справочника, в первом приближении,

Задавшись погрешностью (например, в 4%), итерационное вычисление продолжают, пока погрешность не станет меньше 4%.

2 шаг

Из уравнения неразрывности потока определяют скорость движения горячего и холодного теплоносителей без применения

где площади поперечного сечения для прохода теплоносителей определяют по формулам:

58

для горячего теплоносителя в тубах

для холодного теплоносителя в межтрубном пространстве:

n – количество труб внутри большой трубы,

– число секций соединенных параллельно.

Сравнивают значения полученных скоростей с рекомендуемыми значениями и в случае превышения принимают решение о распараллеливании потока соответствующего теплоносителя.

3 шаг

Строят график изменения температур теплоносителей по длине поверхности теплообмена для нахождения среднелогарифмического

сторон по соответствующим критериальным уравнениям, задаваясь в первом приближении значениями неизвестных температур поверхностей стенки и . При этом, при расчете числа Re в межтрубном пространстве за эквивалентный диаметр принимают диаметр, определенный по формуле

= . (6.9)

Коэффициент теплопередачи рассчитывают по формуле, как для плоской стенки:

Далее определяют плотность теплового потока q и уточняют температуры поверхностей стенки:

59