6358

УДК 621.1

Дыскин, Л.М. Теплообмен в промышленных теплообменниках [Электронный ресурс]: учеб.-метод. пос. / Л.М. Дыскин, М.С. Морозов; Нижегор. гос. архитектур.-строит. ун-т. – Н. Новгород: ННГАСУ, 2016. – 39 с. – 1 электрон. опт. диск (CD-RW)

Ключевые слова: регенератор, поверхность нагрева, рекуператор, теплообменник, тепловой расчет, гидравлический расчет.

В пособии излагаются теоретические сведения и методика расчета эффективности поверхностей теплообмена различной геометрии. В приложении даются примеры расчетов.

Предназначено обучающимся в ННГАСУ для подготовки к лекционным занятиям (включая рекомендации по организации самостоятельной работы) по дисциплине «Расчет и проектирование тепломассообменного оборудования» по направлению подготовки 13.04.01 Теплоэнергетика и теплотехника, профиль Тепломассообменные процессы и установки.

© Л.М. Дыскин, М.С. Морозов, 2016 © ННГАСУ, 2016

6

1. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ВЫБОРА КОНСТРУКЦИИ

РЕКУПЕРАТИВНОГО ТЕПЛООБМЕННИКА И ТИПА ПОВЕРХНОСТИ

ТЕПЛООБМЕНА

Для выбора конструкции большинства теплообменников используют ме-

тоды, разработанные на основе многолетней практики конструирования и их эксплуатации. Однако с развитием техники появляются новые условия эксплуа-

тации теплообменников, патентуются и испытываются новые виды поверхно-

стей теплообмена, поэтому необходимы новые научные и инженерные разра-

ботки и расчеты теплообменных аппаратов, оценка их эффективности.

1.1 Общие требования при разработке и новой конструкции

теплообменника

Первым шагом при выработке требований является установление вход-

ных и выходных температур и давлений для каждого из теплоносителей, так как это влияет в дальнейшем на вид относительного движения теплоносителей и выбор геометрии поверхностей теплообмена. Необходимо избегать относи-

тельно больших перепадов температур по конструкции теплообменника, так как это способствует возникновению термических напряжений. Если же это не-

возможно, то надо использовать различные термические компенсаторы или конструктивные решения, уменьшающие эти напряжения (с U-образными трубками, с плавающей трубной головкой и др.). Кроме этого часто при конст-

руировании приходится принимать во внимание габариты теплообменника,

связанные с условиями места его установки, сборки, эксплуатации и т. д.

Следующий шаг выбора теплообменника заключается в определении массовых расходов каждого из теплоносителей, если они не заданы по услови-

ям технического задания. Затем необходимо выбрать скорость движения каж-

дого из них (например, исходя из соображений вибрации трубного пучка в ко-

жухотрубных теплообменниках, шума от движения воздуха в системах конди-

7

ционирования и так далее). Ориентировочные значения скоростей теплоноси-

телей w, рекомендуемые на основании опыта эксплуатации рекуперативных те-

плообменников и технико-экономических расчетов, приведены в таблице.

В некоторых случаях поверхность теплообмена может загрязняться, что приводит к существенному увеличению термического сопротивления при теп-

лопередаче относительно идеально чистых поверхностей теплообмена. Поэто-

му часто приходится предусматривать механическую очистку труб или хими-

ческую очистку поверхности теплообмена. Хотя, для большинства обычных те-

плоносителей, углеродистые стал являются хорошим конструктивным мате-

риалом, в данном случае проблемы коррозии существенно влияют на выбор ма-

териала для изготовления теплообменников, так как может оказаться, что для надежной работы теплообменника необходимо использовать долгие коррози-

онностойкие материалы.

Вопросы стоимости теплообменника часто являются очень важными при выборе конструкции, при этом следует учитывать не только капитальные затра-

ты на изготовление теплообменника, но и на его эксплуатацию и ремонт. Влия-

ние этих составляющих иногда определить очень сложно, так, например, в ус-

8

ловиях химических производств надо включать в рассмотрение стоимость го-

товой продукции.

После того, как определены общие требования для заданных условий технического задания, необходимо проанализировать конструкции теплооб-

менников, которые выпускает промышленность. При этом следует посмотреть,

насколько серийно выпускаемые теплообменники подходят для работы с за-

данными теплоносителями. Однако в случае необходимости создания новой конструкции ее выбор является интуитивным, так как в качестве исходной ис-

пользуют конструкцию теплообменника, применяемую для других подобных теплоносителей.

Важным этапом в проектировании теплообменника является выбор типа его поверхности. Наиболее распространенный тип поверхности – трубчатая.

Достоинством кожухотрубных теплообменников является то, что их размеры можно варьировать в широких пределах, конструкция имеет достаточную прочность при изготовлении, монтаже, транспортировке и эксплуатации. Опыт их применения в промышленности показал, что нет затруднений при их очист-

ке в условиях работы с запыленными газами. Этот тип поверхности теплообме-

на хорошо зарекомендовал себя при работе, как в области низких, так и высо-

ких температур и давлений. Методы расчета и технология изготовления таких теплообменников широко известны. Наиболее часто они используются для пе-

редачи тепла от жидкости к жидкости. Недостатком данной поверхности явля-

ется относительно невысокое значение коэффициента компактности по срав-

нению с оребренными поверхностями теплообмена, где обычно он находится в интервале от 80 до 300 м2/м3.

Поверхности, оребренные с одной стороны, наиболее часто применяются тогда, когда с оребренной стороны теплообмена теплоносителем является газ, а

с другой – жидкость, и коэффициент теплоотдачи с этой стороны относительно велик. Коэффициент компактности таких поверхностей может быть выше, чем у гладких труб, и составляет от 200 до 500 м2/м3.

Способ размещения труб в теплообменнике существенно влияет на усло-

9

вия теплообмена. Коридорные пучки оребренных труб имеют меньшую ком-

пактность, однако гидравлическое сопротивление и коэффициент теплоотдачи в таких пучках также меньше (примерно на 60 % и 30 % соответственно).

Если оба теплоносителя имеют малые коэффициенты теплоотдачи, как это имеет место в воздухо-воздушных теплообменниках, то часто применяются пластинчато-ребристые теплообменники, которые имеют оребрение с обеих сторон. Достоинством пластинчато-ребристых поверхностей является их высо-

кая компактность (коэффициент компактности может иметь порядок

= 2000 3000 м2/м3). Достоинством пластинчато-ребристых теплообменников является то, что в них можно изменять одну из поверхностей теплообмена, не изменяя величину другой. К недостаткам данного типа поверхностей теплооб-

мена следует отнести то, что они хуже, чем трубчатые поверхности выдержи-

вают перепады давлений и температур по объему аппарата. Такие поверхности обычно используются при перепадах давлений меньше 2000 кПа, хотя разрабо-

таны аппараты для перепадов до 5000 кПа.

Следующим шагом после выбора типа поверхности теплообмена является выбор геометрии этой выбранной поверхности. Рассмотрим, например, случай,

когда горячим и холодным теплоносителями является жидкость, а выбранной поверхностью – гладкие трубки. В результате расчета необходимо выбрать диаметр трубок, продольный и поперечный шаг между ними.

Шаг между трубками s выбирается в зависимости от способа заделки трубок в трубную решетку и наружного диаметра трубки dн , обычно он равен s 1,25 1,6 dн. Внутренний диаметр трубок dвн , скорость w теплоносителя в трубках и число трубок n связаны соотношением

4

где – плотность теплоносителя.

Так как по условию задачи расход теплоносителя G обычно известен, то,

задаваясь значениями скорости w и dвн , можно в первом приближении опреде-