Конструктивный расчет теплообменников: определение тепловой производительности
Производить расчет теплообменников необходимо для того, чтобы определить оптимальные геометрические размеры агрегата и добиться нужной тепловой производительности. Типовая схема проведения расчета включает определенную последовательность действий.
Ниже предлагается подобная схема для расчета кожухотрубчатого теплообменника.
Расчет теплообменника кожухотрубчатого: последовательность действий
Прежде всего необходимо уточнить тепловую и технологическую схему, в которую включен аппарат. В ходе этого анализа оценивается уровень тепловых потерь, принимается во внимание вся совокупность факторов. Затем, исходя из материального баланса устанавливается, каким будет расход теплоносителей. Определяются их конечные и начальные температуры. Составляется тепловой баланс и определяется тепловая нагрузка.
При расчете теплообменников учитываются и параметры теплоносителей: уточняется их начальная и конечная температура, принимаются во внимание такие факторы как токсичность и степень агрессивного воздействия на материалы конструкции теплообменника, учитываются общие физико-химические свойства.
На основании всех полученных данных о свойствах теплоносителей выбираются и материалы конструкции. На основании этих свойств разрабатывается и сама конструкция теплообменника.
Важная часть расчета теплообменников – выбор направления движения теплоносителей относительно друг друга. Выбор делается на основании следующих факторов:
- свойства теплоносителей и их температура;
- данные о рекуперации тепла;
- конструктивная схема теплообменного оборудования.
В любом случае предпочтительным всегда оказывается противоточное направление движения теплоносителей. Это позволяет повысить теплопроизводительность либо уменьшить рабочую поверхность. От изменения направления движения теплоносителей зависит и уровень температурных перепадов теплоносителей. При противоточном движении увеличиваются перепады температур в теплоносителях, за счет чего уменьшается их расход и снижаются энергозатраты на их транспортировку.
Для того, чтобы определить направление движения теплоносителя, омывающего трубные пучки снаружи, проводятся специальные расчеты. В одном случае выгоднее будет продольное омывание, в другом – поперечное.
Далее при расчете теплообменников вычисляется средняя разница между температурами теплоносителей.
Затем необходимо определить, каково термическое сопротивление поверхностей теплообмена. Для этого оцениваются коэффициенты теплопередачи при контакте теплоносителей со стенками конструкции.
При определении среднего коэффициента теплопередачи учитываются загрязнения поверхностей конструкции. На данной стадии расчета теплообменников точно установить этот коэффициент не представляет возможным, поэтому учитываются лишь приблизительные расчеты. Точные данные получаются при повторном расчете, когда уже выбран тип конструкции.
После того как произведен уточненный расчет кожухотрубчатого теплообменника, еще раз оцениваются данные о пригодности выбранного материала для производства теплообменного оборудования. Если разница между предварительными расчетам и уточненными слишком велика, начинается поиск другого материала. Затем снова проводится уточненный расчет.
Далее для поверхностей теплообмена устанавливается эскизное значение. Устанавливаются средние температуры теплоносителей. Эти данные можно получить на основании разницы между начальной температурой и конечной (если не меняется агрегатное состояние теплоносителей).
Агрегатное состояние теплоносителя меняется, его температура определяется на основании данных о температуре кипения, которая в свою очередь зависит от состава теплоносителя и давления в агрегате.
После того как установлены средние температурные значения для теплоносителей устанавливаются значения плотностей теплоносителей и их секундные объемы. Если у теплоносителя при изменении температур плотность меняется на порядок, секундные объемы устанавливаются на основании данных о средней, конечной и начальной температурах.
Следующих этап расчета теплообменников – выбор скорости теплоносителя. Для кожухотрубчатого теплообменника можно выбрать оптимальную скорость только того теплоносителя, который движется внутри трубных пучков. Скорость другого теплообменника зависит от того, как распределены трубы в трубной решетке.
Определить максимально допустимую величину скорости теплоносителя можно с учетом нескольких факторов:
- гидравлическое сопротивление аппарата;
- эрозия труб под воздействием потока (зависит от материала).
Для расчета скоростей рассчитывается также динамический напор потока теплоносителя на трубу.
Затем выбирается, в какое пространство теплообменного оборудования будет направлен тот или иной теплоноситель. При расчете кожухотрубчатых теплообменников нужно учесть, что более высокая скорость развивает внутри трубных пучков. Поэтому туда направляется теплоноситель, который имеет менее высокий коэффициент теплоотдачи. В случае, если один из теплоносителей является газом, а другой – жидкостью, в трубные пучки направляется жидкость, а по межтрубному пространству – газ.
После этого необходимо установить, каким должен быть диаметр труб, какой должны быть их длина. Кроме того, устанавливается и длина труб.
Если при расчетах выясняется, что длина труб слишком велика, коррекция производится за счет изменения других параметров (уменьшить диаметр труб или скорость теплоносителя). Это позволит уменьшить длину труб до допустимых параметров.
После того, как основные параметры рассчитаны, нужно выбрать сам способ расположения труб: методы крепления и разбивки труб. Для многоходовых теплообменников устанавливают, где будут расположены перегородки в крышках и трубных решетках.
Завершающая стадия расчета теплообменников – создание эскиза. На этой стадии происходит окончательное уточнение всех данных: количества труб, вид крышки и другие параметры.