Расчет кожухотрубного теплообменника

Ознакомиться с видеороликом "Расчет кожухотрубного теплообменника", Вы сможете в конце статьи.

Теплообменники

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.

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:

• Те, которые используются в нефтехимической промышленности, как правило, подпадают под действие стандартов Ассоциации производителей трубчатых теплообменников;
• 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

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 проект не соответствует требованиям процесса или превышает бюджет, вернитесь к шагу 3, измените параметры проекта и повторите этот процесс снова.
• Если результат соответствует технологическим требованиям, а стоимость находится в пределах бюджета, то завершите проектирование процесса и подготовьте лист спецификации теплообменника

Есть несколько уравнений, которые очень важны для расчетов, которые мы должны выполнить в процессе проектирования теплообменника.

Уравнения кожухотрубного теплообменника

Методика расчета кожухотрубного теплообменника со всеми важными уравнениями кожухотрубного теплообменника расписана ниже.

Тепловой расчет кожухотрубного теплообменника

Выполнить тепловой расчет пароводяного кожухотрубного теплообменника можно с помощью следующего уравнения:

Уравнение 1:

Где:

Q = общая скорость теплопередачи
U = Общий коэффициент теплопередачи кожухотрубного теплообменника
AОбщая = 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: