Оптимальные отверстия под трубы в перегородках

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ НЕФТИ И ГАЗА им. И.М. ГУБКИНА

А.Ф. КАЛИНИН

РАСЧЕТ И ВЫБОР КОНСТРУКЦИИ КОЖУХОТРУБНОГО ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА

Москва 2002

Министерство образования Российской Федерации

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

НЕФТИ И ГАЗА им. И.М. ГУБКИНА

_________________________________________________________

Кафедра термодинамики и тепловых двигателей

А.Ф. Калинин

РАСЧЕТ И ВЫБОР КОНСТРУКЦИИ КОЖУХОТРУБНОГО
ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА

Методические указания по курсовому проектированию для студентов специальностей: 090600, 090700, 170200, 250100, 250400, 320700, 330500

Под редакцией проф. Б.П. Поршакова

Москва 2002

УДК 621.1.016

Калинин А.Ф., Расчет и выбор конструкции кожухотрубного теплообменного аппарата: Методические указания по курсовому проектированию. – – 2-е издание, переработанное и дополненное. – М.: РГУ нефти и газа
им. И.М. Губкина, 2002. – 82 с.

Дана методика теплового и гидравлического расчета кожухотрубного теплообменного аппарата. Приведены основные критерии, определяющие выбор конструкции кожухотрубных теплообменников.

Представлены основные конструктивные характеристики кожухотрубных теплообменных аппаратов и другие материалы справочного характера.

Рецензент – К.Х.Шотиди, кандидат технических наук, доцент

кафедры термодинамики и тепловых двигателей РГУ нефти

и газа им. И.М. Губкина

© Российский государственный университет

нефти и газа им. И.М. Губкина, 2002

СОДЕРЖАНИЕ

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И ИНДЕКСЫ ………………………………..4

ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………………6

I. ТИПЫ КОЖУХОТРУБНЫХ ТЕПЛООБМЕННИКОВ И
ОСОБЕННОСТИ ИХ КОНСТРУЦИИ……………………………….7

II. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ И ВЫБОР КОНСТРУКЦИИ
ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА…………………………….….17

Предварительный (оценочный) расчет и выбор
теплообменного аппарата………………………………………...17

Расчет коэффициента теплопередачи и
окончательный выбор ТА………………………………………...29

III. ПРОВЕРОЧНЫЙ ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ
ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА…………………………….…..37

IV. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕННОГО

АППАРАТА…………………………………………………………..38

Расчет падения давления теплоносителей в
трубном и межтрубном пространстве ТА……………………….38

Определение мощности энергопривода
перекачивающих устройств………………………………………45

V. ОЦЕНКА ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ
ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА………………………………...46

VI. ГРАФИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ КУРСОВОЙ РАБОТЫ (ПРОЕКТА)…...46

ПРИЛОЖЕНИЕ I………………………………………………………………..47

ПРИЛОЖЕНИЕ II……………………………………………………………….51

ПРИЛОЖЕНИЕ III………………………………………………………………69

ЛИТЕРАТУРА…………………………………………………………...………82

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

Q – тепловой поток (тепловая мощность теплообменного аппарата), Вт;

T, t – температура, К, ^оС;

G – массовый расход, кг/с;

W – водяной эквивалент теплоносителя, Вт/К;

F, f – площади поверхности теплообмена и проходного сечения, м²;

d, d, l – диаметр, толщина и длина, м;

с_pm – удельная массовая теплоемкость, Дж/(кг.К);

r – плотность, кг/м³;

l – коэффициент теплопроводности, Вт/(м.К);

n, h – кинематический и динамический коэффициенты вязкости, м²/с и Па×с;

b – температурный коэффициент объемного расширения, 1/К;

w – линейная скорость, м/с;

u – массовая скорость, кг/(м².с);

a – коэффициент теплоотдачи, Вт/(м².К);

k – коэффициент теплопередачи, Вт/(м².К);

R – термическое сопротивление, (м².К)/Вт;

P – индекс противоточности;

Δp – падение давления, Па;

Числа (критерии) подобия:

Нуссельта Nu = ,
Рейнольдса Re = = ,

Грасгофа Gr = ,

Прандтля Pr = .

ИНДЕКСЫ

1 – индекс, который имеют характеристики, относящиеся к горячему теплоносителю;

2 – индекс, который имеют характеристики, относящиеся к холодному теплоносителю;

΄ – индекс характеристик теплоносителя на входе в теплообменный аппарат;

˝ – индекс характеристик теплоносителя на выходе из теплообменного аппарата;

тр – индекс, который имеют характеристики, относящиеся к теплоносителю, который движется в трубном пространстве;

мтр – индекс, который имеют характеристики, относящиеся к теплоносителю, который движется в межтрубном пространстве;

min – минимальное значение характеристики;

max – максимальное значение характеристики.

ВВЕДЕНИЕ

Теплообменными аппаратами (ТА) называются устройства, предназначенные для передачи теплоты от одного теплоносителя к другому. Теплообменные аппараты широко применяются в нефтедобывающей, газовой, нефтеперерабатывающей и химической промышленности: для производства теплооменного оборудования затрачивается до 30 % от общего расхода металла на все технологическое оборудование [10].

Широкое использование теплообменного оборудования в нефтяной и газовой промышленности обязывает специалистов уметь их рассчитывать, обобщать опыт их эксплуатации, анализировать рабочий процесс и намечать пути повышения эффективности их работы. Эффективная работа теплообменных аппаратов приводит к экономии энергии, сокращению расхода топлива и улучшает технико-экономические показатели производственных процессов.

Наиболее широкое распространение в настоящее время получили кожухотрубные теплообменники. По некоторым данным они составляют до
80 % от всей теплообменной аппаратуры, используемой в нефтяной и газовой промышленности.

На кафедре термодинамики и тепловых двигателей РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина студентами ряда специальностей: 090600, 090700, 170200, 250100, 250400, 320700, 330500 выполняется курсовой проект (работа), целью которого является выбор стандартного теплообменного аппарата, обеспечивающего при заданных массовых расходах (G₁, G₂) температурные режимы теплоносителей (t₁¢, t₁¢¢, t₂¢, t₂¢¢).

При выборе стандартного теплообменного аппарата необходимо провести конструктивный и проверочный тепловые расчеты, а также гидравлический расчет теплообменника.

Целью конструктивного теплового расчета является определение типа теплообменного аппарата и его конструкции.

При проверочном тепловом расчете определяется мощность выбранного стандартного теплообменного аппарата Q_ст и действительные конечные температуры теплоносителей (t_1д¢¢, t_2д¢¢). В результате этого расчета выясняется возможность использования стандартного теплообменника при заданных температурных режимах теплоносителей.

Гидравлический расчет теплообменного аппарата необходим для определения падения давления теплоносителей (Dp₁, Dp₂) в ТА и мощностей энергопривода насосов и компрессоров (Ne₁, Ne₂), необходимых для перекачки теплоносителей через аппарат.

I. ТИПЫ КОЖУХОТРУБНЫХ ТЕПЛООБМЕННИКОВ
И ОСОБЕННОСТИ ИХ КОНСТРУКЦИИ

Кожухотрубные теплообменники относятся к поверхностным теплообменным аппаратам рекуперативного типа. Широкое распространение этих аппаратов обусловлено прежде всего надежностью конструкции и большим набором вариантов исполнения для различных условий эксплуатации:

ü Однофазные потоки, кипение и конденсация;

ü Вертикальное и горизонтальное исполнение;

ü Широкий диапазон давлений теплоносителей, от вакуума до 8,0 МПа;

ü Площади поверхности теплообмена от малых (1 м²) до предельно больших (1000 м² и более);

ü Возможность применения различных материалов в соответствии с требованиями к стоимости аппаратов, агрессивностью, температурными режимами и давлением теплоносителей;

ü Использование различных профилей поверхности теплообмена как внутри труб, так и снаружи и различных турбулизаторов;

ü Возможность извлечения пучка труб для очистки и ремонта.

Различают следующие типы кожухотрубных теплообменных аппаратов:

ü Теплообменные аппараты с неподвижными трубными решетками (жесткотрубные ТА);

ü Теплообменные аппараты с неподвижными трубными решетками и с линзовым компенсатором на кожухе;

ü Теплообменные аппараты с плавающей головкой;

ü Теплообменные аппараты с U – образными трубами.

Кожухотрубные теплообменные аппараты с неподвижными трубными решетками отличаются простотой конструкции и, следовательно, меньшей стоимостью (рис. 1).

Рис. 1. Кожухотрубчатый теплообменник с неподвижными
трубными решетками:

1 - распределительная камера; 2 - кожух; 3 - теплообменная труба; 4 - поперечная перегородка; 5 - трубная решетка; 6 - задняя крышка кожуха;
7 - опора; 8 - дистанционная трубка; 9 - штуцеры; 10 - перегородка в распределительной камере; 11 - отбойник

Кожухотрубный теплообменный аппарат представляет из себя пучок теплообменных труб, находящихся в цилиндрическом корпусе (кожухе). Один из теплоносителей движется внутри теплообменных труб, а другой омывает наружную поверхность труб. Концы труб закрепляются с помощью вальцовки, сварки или пайки в трубных решетках. В кожух теплообменного аппарата с помощью дистанционных трубок устанавливаются перегородки. Перегородки поддерживают трубы от провисания и организуют поток теплоносителя в межтрубном пространстве, интенсифицируя теплообмен. К кожуху теплообменного аппарата привариваются штуцеры для входа и выхода теплоносителя из межтрубного пространства. На входе теплоносителя в межтрубное пространство в ряде случаев устанавливают отбойники, необходимые для уменьшения вибрации пучка труб, равномерного распределения потока теплоносителя в межтрубном пространстве и снижения эррозии ближайших к входному штуцеру труб. К кожуху теплообменного аппарата с помощью фланцевого соединения крепятся распределительная камера и задняя крышка со штуцерами для входа и выхода продукта из трубного пространства.

В зависимости от расположения теплообменных труб различают теплообменные аппараты горизонтального и вертикального типа.

В зависимости от числа перегородок в распределительной камере и задней крышке кожухотрубчатые теплообменные аппараты делятся на одноходовые, двухходовые и многоходовые в трубном пространстве.

В зависимости от числа продольных перегородок, установленных в межтрубном пространстве, кожухотрубные теплообменники делятся на одно – и многоходовые в межтрубном пространстве.

Теплообменники c неподвижными трубными решетками применяются, если максимальная разность температур теплоносителей не превышает 80 ⁰С, и при сравнительно небольшой длине аппарата. Эти ограничения объясняются возникающими в кожухе и в теплообменных трубах температурными напряжениями, способными нарушить герметичность конструкции аппарата.

Для частичной компенсации температурных напряжений в кожухе и в теплообменных трубах используются специальные гибкие элементы (расширители, компенсаторы), установленные на кожухе аппарата. Такие теплообменники называются теплообменными аппаратами с температурным компенсатором на кожухе (рис. 2).

Рис. 2. Вертикальный кожухотрубчатый теплообменник с неподвижными трубными решетками и температурным компенсатором на кожухе:

1 - распределительная камера; 2 - трубные решетки; 3 - компенсатор;
4 - кожух; 5 -опора; 6 - теплообменная труба; 7 - поперечная перегородка;
8 - задняя крышка кожуха; 9 - дистанционная трубка; 10 - штуцеры

В аппаратах подобного типа используют одно- и многоэлементные линзовые компенсаторы.

Кожухотрубчатые теплообменные аппараты с плавающей головкой
(с подвижной трубной решеткой) являются наиболее распространенным типом кожухотрубных теплообменников (рис. 3). Подвижная трубная решетка позволяет трубному пучку свободно перемещаться независимо от корпуса, что значительно снижает температурные напряжения как в кожухе, так и в теплообменных трубах.

Рис. 3. Кожухотрубчатый теплообменник с плавающей головкой:

1 - крышка распределительной камеры; 2 - распределительная камера;
3 - неподвижная трубная решетка; 4 - кожух; 5 - теплообменная труба;
6 - поперечная перегородка; 7 - подвижная трубная решетка; 8 - задняя крышка кожуха; 9 - крышка плавающей головки; 10 -опора; 11 - катковая опора трубного пучка

Теплообменные аппараты данного типа выполняюся с двумя или с четырьмя ходами по трубному пространству.

Аппараты с плавающей головкой чаще всего выполняются одноходовыми по межтрубному пространству. В аппаратах с двумя ходами по межтрубному пространству устанавливается продольная перегородка.

Кожухотрубчатые теплообменники с U-образными трубами (рис. 4) имеют одну трубную решетку, в которую завальцованы оба конца U-образных теплообменных труб. Отсутствие других жестких связей теплообменных U-образных труб с кожухом обеспечивает свободное удлинение труб при изменении их температуры. Кроме того, преимущество теплообменников с U-образными трубами заключается в отсутствии разъемного соединения внутри кожуха (в отличии от ТА с плавающей головкой), что позволяет успешно применять их при повышенных давлениях теплоносителей, движущихся в трубном пространстве. Недостатком таких аппаратов является трудность чистки внутренней и наружной поверхности труб, вследствие чего они используются преимущественно для чистых продуктов.

Рис. 4. Кожухотрубчатый теплообменник с U-образными
теплообменными трубами:

1 - распределительная камера; 2 - трубная решетка; 3 - кожух; 4 - теплообменная труба; 5 - поперечная перегородка; 6 - крышка кожуха; 7 - опора;
8 - катковая опора трубного пучка

Эффективность кожухотрубчатых теплообменных аппаратов повышается с увеличением скорости движения потоков теплоносителей и степени их турбулизации. Для увеличения скорости движения потоков в межтрубном пространстве и их турбулизации, повышения качества омывания поверхности теплообмена в межтрубное пространство кожухотрубчатых теплообменных аппаратов устанавливаются специальные поперечные перегородки. Они также выполняют роль опор трубчатого пучка, фиксируя трубы в заданном положении, и уменьшают вибрацию труб.

На рис. 5 показаны поперечные перегородки различных типов. Наибольшее распространение получили сегментные перегородки (рис. 5а).

Рис. 5. Поперечные перегородки кожухотрубных аппаратов:

а - с сегментным вырезом; б - с секторным вырезом; в - перегородки «диск-кольцо»; г - с щелевым вырезом; д - «сплошные»

Поперечные перегородки с секторным вырезом (рис. 5б) оснащены дополнительной продольной перегородкой, равной по высоте половине внутреннего диаметра кожуха аппарата. Секторный вырез, по площади равный четверти сечения аппарата, располагают в соседних перегородках в шахматном порядке. При этом теплоноситель в межтрубном пространстве совершает вращательное движение то по часовой стрелке, то против нее.

Аппараты со «сплошными» перегородками (рис. 5д) используются обычно для чистых жидкостей. В этом случае жидкость протекает по кольцевому зазору между теплообменными трубами и отверстиями в перегородках.

Для повышения тепловой мощности теплообменных аппаратов при неизменных длинах труб и габаритах теплообменника используется оребрение наружной поверхности теплообменных труб. Оребренные теплообменные трубы применяются в тех случаях, когда со стороны одного из теплоносителей трудно обеспечить высокий коэффициент теплоотдачи (газообразный теплоноситель, вязкая жидкость, ламинарное течение и т.д.). На рис. 6 приведены варианты наружного оребрения теплообменных труб.

Рис. 6. Оребренные трубы:

а - с приварными «корытообразными» ребрами; б - с завальцованными ребрами; в - с винтовыми накатанными ребрами; г - с выдавленными ребрами;
д - с приварными шиловидными ребрами

Для интенсификации теплоотдачи в трубном пространстве используются методы воздействия на поток устройствами, которые турбулизируют теплоноситель в теплообменных трубах. Для этой цели применяются различного рода турбулизирующие вставки, варианты исполнения которых представлены на рис. 7.

Рис. 7. Теплообменные трубы с турбулизаторами:

а - шнековые завихрители; б - ленточные завихрители; в - диафрагмовые трубы с вертикальными канавками; г - диафрагмовые трубы с наклонными канавками; д - проволочные турбулизаторы; е - турбулизирующие вставки

В кожухотрубных теплообменных аппаратах теплоноситель, поступая в межтрубное пространство, в силу конструктивных особенностей делится на несколько потоков (рис. 8):

ü А – основной поперечный поток;

ü B – перетоки в щелях между отверстиями в поперечных перегородках и теплообменными трубами;

ü C – перетоки между кромками перегородок и кожухом;

ü D – байпасный поток через зазор между пучком труб и кожухом.

Разделение потока теплоносителя, поступающего в межтрубное пространство, на несколько потоков значительно усложняет гидродинамическую картину движения теплоносителя по сравнению с поперечным омыванием пучков труб и оказывает существенное влияние как на конвективный теплообмен, так и на падение давления теплоносителя. Распределение потоков в межтрубном пространстве зависит от конструктивных характеристик теплообменного аппарата, оптимизация которых является главной задачей при создании новых теплообменников.

Рис. 8. Схема потоков теплоносителя в межтрубном пространстве
кожухотрубного теплообменника:

A - основной поперечный поток; В - перетоки в щелях между отверстиями в перегородках и трубами; C - перетоки между кромкой перегородки и кожухом; D - байпасный поток через зазор между пучком труб и кожухом

Учет распределения потоков теплоносителя в межтрубном пространстве необходим, так как в противном случае возможны значительные ошибки при определении среднего коэффициента теплоотдачи a и падения давления теплоносителя Dp, которые могут составить от 50 до 150 %.

В зависимости от совершенства конструкции теплообменного аппарата меняется и распределение потоков в межтрубном пространстве. При турбулентном режиме течения основной поток (A) не превышает
40 % от всего потока теплоносителя, а при ламинарном – 25 %.

II. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ И ВЫБОР КОНСТРУКЦИИ
ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА

Целью теплового расчета теплообменного аппарата является выбор стандартного теплообменника при заданных массовых расходах (G₁, G₂) и температурных режимах теплоносителей (t₁¢, t₁¢¢, t₂¢, t₂¢¢).

Конструктивный тепловой расчет кожухотрубного теплообменного аппарата состоит из двух частей:

1. Предварительный (оценочный) расчет критериев, определяющих выбор ТА, и выбор теплообменного аппарата по каталогу;

2. Определение среднего коэффициента теплопередачи k для предварительно выбранного стандартного ТА и расчетной площади поверхности теплообмена F_расч. Окончательный выбор теплообменного аппарата по каталогу.

Предварительный (оценочный) расчет и выбор
теплообменного аппарата

Первая часть конструктивного теплового расчета состоит из следующих этапов:

1. Выбор типа теплообменного аппарата;

2. Определение по справочной литературе теплофизических свойств теплоносителей;

3. Определение расчетной тепловой мощности теплообменного аппарата из уравнения теплового баланса;

4. Расчет коэффициента теплопередачи по оценочным значениям коэффициентов теплоотдачи (в трубном и межтрубном простран-

стве) и термическим сопротивлениям стенки теплообменных труб и загрязнений;

5. Определение средней разности температур между теплоносителями для противоточной схемы их движения;

6. Определение расчетной площади поверхности теплообмена;

7. Расчет оптимального диапазона площадей проходных сечений в трубном и межтрубном пространстве ТА;

8. Предварительный выбор теплообменного аппарата по диапазону площадей проходных сечений в трубном и межтрубном пространстве ТА и расчетной площади поверхности теплообмена;

9. Расчет минимального индекса противоточности;

10. Определение индекса противоточности выбранной конструкции ТА;

11. Проверка правильности выбора конструкции ТА по сопоставлению индекса противоточности теплообменного аппарата с минимальным индексом противоточности.

Перед расчетом критериев, определяющих выбор теплообменника, следует определить: какой из теплоносителей движется в трубном, а какой в межтрубном пространстве. Выбор проводится по следующим рекомендациям:

ü Теплоноситель с более высоким давлением (p > 1 МПа) целесообразно направлять в трубы;

ü Теплоноситель, вызывающий более интенсивную коррозию, предпочтительно направлять в трубы;

ü Теплоноситель, при использовании которого образуется больше отложений, следует направлять в трубы;

ü Теплоноситель с большей вязкостью предпочтительно направлять в межтрубное пространство.

При выборе типа теплообменного аппарата необходимо учитывать следующие особенности эксплуатации теплообменников:

ü Теплообменные аппараты с плавающей головкой используются при температурах теплообменивающихся сред от –30 ⁰С до +450 ⁰С, давление потока в трубном пространстве может достигать 8,0 МПа. Следует учитывать, что данная конструкция позволяет осуществлять разборку ТА и очистку межтрубного пространства;

ü Теплообменные аппараты с неподвижными трубными решетками и с температурным компенсатором на кожухе используются при температурах теплообменивающихся сред от от –70 ⁰С до +350 ⁰С. В теплообменниках без температурных компенсаторов давление теплоносителей в межтрубном пространстве может достигать 4,0 МПа, а максимальная разность температур между теплоносителями не должна превышать 80 ⁰С. В теплообменных аппаратах с температурным компенсатором давление теплоносителя, движущегося в межтрубном пространстве, не должно превышать 1,6 – 1,7 МПа.

После выбора типа теплообменного аппарата, по справочной литературе определяются теплофизические свойства горячего и холодного теплоносителей (c_{pm ,} l _, n _, r _, Pr) [4, 7]. Эти величины выбираются из таблиц или рассчитываются по предлагаемым зависимостям при средних арифметических температурах теплоносителей.

Тепловая мощность теплообменного аппарата Q при заданных температурных режимах (t₁¢, t₁¢¢, t₂¢, t₂¢¢) и расходах (G₁, G₂) теплоносителей рассчитывается по формуле

, (1)

где η – коэффициент, учитывающий тепловые потери в окружающую среду, η = 0,95 – 0,98 [2, 11].

Cредняя разность температур между теплоносителями q_m рассчитывается по уравнению Грасгофа для противоточной схемы движения теплоносителей

Q_m = , (2)

где Θ₁ = t₁¢ - t₂¢¢ , а Θ₂ = t₁¢¢ - t₂¢ .

Коэффициент теплопередачи от горячего к холодному теплоносителю определяется по соотношению

, (3)

где коэффициенты теплоотдачи в трубном α_тр и межтрубном α_мтр пространстве и термические сопротивления загрязнений R_з.тр = (δ/λ)_з.тр,
R_з.мтр = (δ/λ)_з.мтр на внутренней и наружной поверхности теплообменных труб выбираются в пределах рекомендуемых диапазонов из справочных
таблиц 1 - 4.

Таблица 1

Ориентировочные значения коэффициента теплоотдачи α

в теплообменной аппаратуре

№ п/п	Вид теплоносителя и условия теплоотдачи	α , Вт/(м2.К)
1.	Конвективная теплоотдача газов	20 – 200
2.	Конвективная теплоотдача вязких жидкостей (масла, мазуты, нефти, растворы солей и т.д.)	150 – 500
3.	Конвективная теплоотдача жидких органических веществ: легкие ts < 200 0C средние ts = 200 – 350 0C тяжелые ts > 350 0C: а) нагрев б) охлаждение	1500 – 2000 750 – 1500   250 – 750 150 – 400

Продолжение табл. 1

4.	Конвективная теплоотдача маловязких жидкостей (вода, бензин, керосин, газойль и т.д.)	500 – 2.104
5.	Конденсация паров органических веществ: легкие ts < 200 0C средние ts = 200 – 350 0C	1500 – 7000 1500 – 4000
6.	Конденсация водяных паров: пленочная капельная	4.103 – 1,5.104 4.104 – 105
7.	Кипение органических жидкостей легкие ts < 200 0C средние ts = 200 – 350 0C тяжелые ts > 350 0C	1000 – 4000 1000 – 3500 750 – 2500
8.	Пузырьковое кипение воды в большом объеме	2.103 – 4.104

Таблица 2

Термические сопротивления загрязнений на
поверхностях ТА, создаваемые охлаждающей водой

Охлаждающая вода	Температура горячего теплоносителя, К	Температура воды, К	Скорость воды, м/с	Термические сопротивления загрязнений Rз.104, (м2.К)/Вт
Дистиллированная	≤ 473	Любая	Любая	2,9
Котловая	≤ 393 ≤ 393 393 – 473	≤ 313 ≤ 313 > 313	≤ 0,9 > 0,9 Любая	58,0 29,0 58,0
Оборотная, охлаждаемая в градирнях, очищенная	≤ 393 393 – 473	≤ 313 > 313	Любая Любая	5,8 12,0
Оборотная, охлаждаемая в градирнях, неочищенная	≤ 393 393 – 473 393 – 473	≤ 313 > 313 > 313	Любая ≤ 0,9 > 0,9	17,0 29,0 23,0

Таблица 3

Термические сопротивления загрязнений на поверхности теплообмена
кожухотрубных теплообменников промышленного назначения

Теплоносители	Процесс теплообмена	Термические сопротивления загрязнений Rз.104, (м2.К)/Вт
Водяной пар	Конденсация	≤ 2,9
Водяной пар, загрязненный маслом	Конденсация	5,8
Воздух	Конвекция	11,6
Газы промышленные	Конвекция	58,0
Диолефины и полимеризующиеся углеводороды	Кипение	≤ 29,0
Масло циркуляционное чистое	Конвекция	5,8
Масло машинное и трансформаторное	Конвекция	5,8
Нефть	Конвекция	29,0
Мазут	Конвекция	20 – 40
Органические продукты жидкие (бензин, керосин, газойль)	Конвекция	4,0 – 29,0
Органические продукты парообразования	Конденсация	≤ 5,8
Углеводороды С1 – С8	Кипение	≤ 5,8
Углеводороды С9 и более тяжелые	Кипение	5,8 – 17,5
Хладоагенты жидкие	Кипение и конвекция	58,0
Хладоагенты парообразные	Конвекция	11,6

Таблица 4

Термические сопротивления загрязнений на поверхности теплообмена ТА установок химических и нефтехимических производств

Установки и отдельные виды оборудования	Теплоносители	Процесс теплообмена	Термические сопротивления загрязнений Rз.104, (м2.К)/Вт
Установки получения бензина	Сырье	Конвекция	2,9
Верхний продукт колонны	Конденсация	2,9
Продукты в кипятильнике Хладоагенты и теплоносители	Кипение Конвекция, конденсация, кипение	5,8     2,9
Установки крекинга	Сырье жидкое при температуре ≤ 533 К Сырье жидкое при температуре > 533 К Газы пиролиза при температуре ≤ 533 К Газы пиролиза при температуре > 533 К Пары из колонн, отпарных аппаратов и т.д. Пары из барботажных колонн	Конвекция   Конвекция   Конвекция   Конвекция   Конденсация Конденсация	12,0   24,0   12,0   17,3   36,0 12,0
Абсорбционные установки	Газообразные продукты «Жидкий» сорбент   «Тощий» сорбент (жидкость) Паровой отбор	Конвекция Кипение, конвекция Конвекция Конденсация	12,0   12,0 12,0 58,0
Установки алкилирования, узлы дебутанизации, депропонизации и деметанизации	Сырье Верхний продукт колонн   Продукты в холодильниках   Продукты в кипятильниках	Конвекция Конденсация   Конвекция   Кипение	58,0 58,0   5,8   11,6
Установки для поглащения сероводорода	Пары верхних отборов   Продукты в холодильниках   Продукты в кипятильниках	Конденсация   Конвекция   Кипение	5,8   10,0   10,0

Материал теплообменных труб выбирается в зависимости от термобарических параметров теплоносителей и их агрессивности. Значения коэффициента теплопроводности для ряда марок сталей представлены в табл. 5.

Толщина стенки теплообменных труб кожухотрубных ТА l_ст составляет от 1,5 до 3,0 мм.

Таблица 5

Коэффициент теплопроводности сталей λ, Вт/(м.К) [11]

Марка стали	Температура, 0С
Углеродистые стали
	59,2	57,7	53,5	49,4	44,8	40,2	36,1
	51,7	51,1	48,5	44,4	42,7	39,3	35,6
	48,1	48,1	46,5	44,0	41,1	38,5	31,4
У8	49,7	48,1	45,1	41,4	38,1	35,2	32,7
У12	45,2	44,8	42,7	40,2	37,2	34,7	32,0
Низколегированные стали
20М	-	45,3	43,6	42,4	40,7	37,2	34,9
15ХМ; 12ХМФ	-	44,2	41,3	40,7	39,0	36,0	33,7
10Х2МФ(ЭИ531)	-	38,4	37,8	37,8	37,2	35,5	32,6
12ХН2(Э1)	33,0	33,0	33,4	-	-	35,5	32,6
30ХН3	35,2	36,0	37,0	37,0	36,5	35,2	33,5
20ХН4В(Э16)	27,3	28,3	29,3	-	-	32,6	-
30ХГС(ЭИ179)	-	37,2	40,7	38,4	37,2	36,1	34,9
Хромистые нержавеющие стали
Х13	26,7	27,7	27,7	28,0	27,7	27,2	26,4
2Х13	24,3	25,5	25,8	26,3	26,4	26,6	26,4
3Х13	25,1	26,4	27,2	27,7	27,7	27,2	26,7
Х28	-	20,9	21,7	22,7	23,4	24,3	25,0
Хромоникелевые аустенитные стали
Х18Н9(ЭЯ1)	-	16,3	17,6	18,8	20,5	21,7	23,4
1Х18Н9Т(ЭЯ1Т)	-	16,0	17,6	19,2	20,8	22,3	23,8
Х18Н9В	-	16,3	17,2	18,4	20,1	21,7	23,8
1Х14Н14В2М	-	15,6	17,1	18,7	20,1	21,6	22,9
Х13Н25М2	-	11,7	13,4	15,0	17,2	19,3	21,7
Н28		14,7	16,4	17,6	18,8	20,5	22,2

Одним из критериев выбора кожухотрубного теплообменного аппарата является расчетная площадь поверхности теплообмена, которая определяется по формуле

. (4)

Другим критерием, определяющим выбор серии кожухотрубных теплообменников, являются диапазоны площадей проходных сечений трубного f_тр и межтрубного f_мтр пространства. Приемлемые диапазоны площадей проходных сечений трубного и межтрубного пространства находятся с использованием рекомендуемых диапазонов скоростей теплоносителей из соотношений:

; , (5)

где w_min и w_max – минимальная и максимальная рекомендуемые скорости потоков теплоносителей (табл. 6); ρ и G – плотность и массовый расход теплоносителя.

Таблица 6

Рекомендуемые скорости теплоносителей в ТА

Теплоносители	w, м/с
Жидкости вязкие (легкие и тяжелые масла, мазуты, нефти, растворы солей и т.д.)	0,2 – 1,0
Жидкости маловязкие (вода, бензин, керосин, газойль и т.д.)	0,5 – 3,0
Насыщенные пары углеводородов при давлении: Р = 0,005 – 0,02 МПа Р = 0,02 – 0,05 МПа Р = 0,05 – 0,1 МПа Р > 0,1 МПа	60 – 75 40 – 60 20 – 40 10 – 25
Сухой насыщенный и перегретый водяной пар	20 – 60

Выбираемый теплообменный аппарат должен быть способен обеспечить заданные температурные режимы теплоносителей. Это условие выполняется только в случае, если индекс противоточности выбранной конструкции теплообменного аппарата P при заданных температурных режимах и водяных эквивалентах теплоносителей больше или равен минимальному индексу противоточности P_min

P ³ P_min . (6)

Минимальный индекс противоточности определяется только заданными температурами теплоносителей на входе и выходе из ТА и рассчитывается по формуле

. (7)

Порядок выбора типа, конструкции и размеров теплообменного аппарата имеет следующую последовательность:

1. По термобарическим параметрам выбирается тип аппарата;

2. По рекомендациям определяется: какой теплоноситель течет в трубном, а какой в межтрубном пространстве;

3. По диапазону площадей проходных сечений трубного f_тр.min – f_тр.max и межтрубного f_мтр.min – f_мтр.max пространства, а также по величине расчетной площади поверхности теплообмена F_расч выбирается теплообменный аппарат. При этом выбранный теплообменный аппарат должен иметь площади проходного сечения трубного f_тр и межтрубного f_мтр пространства в оптимальном диапазоне значений проходных сечений

f_min £ f £ f_max , (8)

а его площадь поверхности теплообмена должна быть близка к расчетной

F_ст » F_расч . (9)

Желательно, чтобы выбранный теплообменник находился в середине серии с одинаковыми проходными сечениями трубного и межтрубного пространства (Приложение II, III). Это даст возможность, после уточнения значений коэффициента теплопередачи k и средней разности температур Θ_m, изменять площадь поверхности теплообмена аппарата за счет изменения длины теплообменных труб как в большую, так и в меньшую сторону, без изменения проходных сечений в трубном и межтрубном пространстве.

4. Далее следует определить истинный индекс противоточности P выбранного теплообменного аппарата и проверить условие, при котором аппарат способен обеспечить заданные температурные режимы теплоносителей

P ³ P_min .

В одноходовых теплообменных аппаратах может осуществляться либо прямоточная, либо противоточная схема движения теплоносителей. Для прямоточной схеме индекс противоточности равен P = 0, а при противотоке -
P = 1.

Для более сложных схем определение индекса противоточности P выбранного теплообменного аппарата начинается с расчета характеристик, от которых, наряду со схемой движения теплоносителя, зависит значение индекса

, . (10)

По значениям этих характеристик с учетом схемы движения теплоносителей (число ходов по трубному и межтрубному пространству) из графиков (Приложение I) определяется e_Dt – коэффициент, учитывающий различие между средней логарифмической разностью температур между теплоносителями для противоточной схемы движения Q_mL и действительной средней разностью температур Q_m .

Затем рассчитывается действительная средняя разность температур

Q_m = e_Dt Q_mL . (11)

Характеристическая разность температур DT определяется с использованием метода последовательного приближения из следующего соотношения:

, (12)

где Q_ma – средняя арифметическая разность температур между теплоносителями в теплообменном аппарате,

. (13)

Уравнение (12) получено из уравнения Н.И. Белоконя для сложных схем движения теплоносителей.

Индекс противоточности для выбранной схемы теплообменного аппарата, заданных температурных режимов и водяных эквивалентов теплоносителей определяется также по уравнению Н.И. Белоконя для характеристической разности температур

. (14)

Для выбранного теплообменного аппарата выписываются из приложения II, III его основные конструктивные характеристики:

ü Диаметр кожуха D_к;

ü Наружный диаметр теплообменных труб d_н;

ü Число ходов по трубам ;

ü Площади проходного сечения одного хода по трубам f_тр, в вырезе перегородки f_в.п и между перегородками f_м.п;

ü Площадь поверхности теплообмена F_ст;

ü Длина теплообменных труб l .

.

2.2. Расчет коэффициента теплопередачи и окончательный выбор ТА

Перед окончательным выбором теплообменного аппарата необходимо провести расчет коэффициента теплопередачи k по уравнению (3) и, с учетом результатов расчета, по соотношению (4) определить расчетную площадь поверхности теплообмена F_расч .

Для определения коэффициента теплопередачи необходимо рассчитать коэффициенты теплоотдачи в трубном α_тр и межтрубном α_мтр пространстве.

Коэффициент теплоотдачи в трубном пространстве α_тр находится из соотношения [1, 2, 5]

, (15)

где Re, Pr, Gr – числа подобия теплоносителя, движущегося в теплообменных трубах ТА, при средней арифметической температуре потока; Pr_с - число Прандтля теплоносителя, движущегося в теплообменных трубах ТА, при средней температуре стенки труб; l_тр – коэффициент теплопроводности теплоносителя, движущегося в теплообменных трубах ТА; d_н , d_ст – наружный диаметр и толщина стенки теплообменных труб.

Средняя скорость теплоносителя в трубном пространстве выбранного стандартного теплообменного аппарата w_тр , необходимая для определения числа Рейнольдса Re_тр , рассчитывается по формуле

, (16)

где G_тр , r_тр – массовый расход и плотность теплоносителя, движущегося в трубном пространстве; f_тр - площадь проходного сечения одного хода по трубам выбранного стандартного ТА.

Значения коэффициентов в уравнении (15) представлены в табл. 7.

Таблица 7

Значения коэффициентов в уравнении (15)

Режим течения, Re	Значения коэффициентов
C	j	y	i
Ламинарный, Re<2300:   а) вязкостное течение, Gr.Pr < 8.105 ;   б) вязкостно-гравитационное течение, Gr.Pr ≥ 8.105	1,55.(d/l)0,33     0,15	0,33     0,33	0,33     0,43	0,1
Переходный, 2300≤Re≤104 : Re=2300 Re=2500 Re=3000 Re=4000 Re=5000 Re=6000 Re=7000 Re=8000 Re=9000 Re=10000
3,6	0	0,43
4,9
7,5
12,2
16,5
20,0
24,0
27,0
30,0
33,0
Турбулентный, Re>104	0,021	0,8	0,43

При расчете коэффициента теплоотдачи в межтрубном пространстве следует учитывать, что характер омывания потоком теплоносителя трубного пучка в кожухотрубных теплообменных аппаратах в значительной степени отличается от поперечного омывания идеального пучка гладких труб. Распределение потока теплоносителя в межтрубном пространстве значительно усложняет гидродинамическую картину движения теплоносителя и оказывает существенное влияние на конвективный теплообмен (рис. 8 ).

Коэффициент теплоотдачи в межтрубном пространстве α_мтр рассчитывается по формуле [2]

, (17)

где Nu, Re, Pr – числа подобия для теплоносителя, движущегося в межтрубном пространстве ТА, при средней арифметической температуре потока; Pr_с - число Прандтля теплоносителя, движущегося в межтрубном пространстве ТА, при средней температуре стенки труб; l_мтр – коэффициент теплопроводности теплоносителя, движущегося в межтрубном пространстве ТА.

Средняя скорость теплоносителя в межтрубном пространстве выбранного стандартного теплообменного аппарата w_мтр , необходимая для определения числа Рейнольдса Re , рассчитывается по формуле

, (18)

где G_мтр , r_мтр – массовый расход и плотность теплоносителя, движущегося в межтрубном пространстве; f_в.п , f_м.п - площади проходного сечения в вырезе перегородки и между перегородками в межтрубном пространстве выбранного ТА.

Значения коэффициентов в уравнении (17) зависят от расположения труб в пучке и значений чисел Рейнольдса (табл. 8). В стандартных кожухотрубных теплообменниках трубы располагаются либо по вершинам равносторонних треугольников, либо по вершинам квадратов.

Таблица 8

Значения коэффициентов C₁ , m , n в уравнении (17)

Схема расположения труб в пучке	Число Рейнольдса	Значения коэффициентов
C1	m	n
	40<Re<103	0,71	0,5	0,36
103≤Re≤2.105	0,40	0,6	0,36
Re>2.105	0,036	0,8	0,40
	40<Re<103	0,71	0,5	0,36
103≤Re≤2.105	0,36	0,6	0,36
Re>2.105	0,032	0,8	0,40

Поправочный коэффициент C_z учитывает зависимость среднего коэффициента теплоотдачи в межтрубном пространстве от числа рядов труб в пучке, омываемых в поперечном направлении Z_п (Приложение II, III,
табл. 2-8, 3-8).

Этот коэффициент может быть определен из графика (рис. 9).

Рис. 9. Зависимость коэффициент C_z от числа рядов труб в пучке, омываемых в поперечном направлении Z_п

Поправочный коэффициент C_п учитывает влияние на конвективный теплообмен в межтрубном пространстве потока, проходящего через окна сегментных перегородок, и зависит от высоты свободного сегмента перегородки B_с

, %, (19)

где h – расстояние от оси перегородки до сегментного выреза; D_пер – диаметр перегородки (рис. 10).

Рис. 10. Схема сегментной перегородки

Высота свободного сегмента определяет долю труб пучка, омываемых поперечным потоком теплоносителя, и меняется для стандартных кожухотрубных ТА от 21 до 33 % (Приложение II, III, табл. 2-4а, 2-4б, 3-4). При оптимизации конструкции теплообменника следует стремиться к тому, чтобы коэффициент C_п был близок к 1.

Для практических расчетов поправочный коэффициент C_п находится из соотношения

C_п = 0,55 + 0,72 φ_n , (20)

где φ_n = N_п/N - относительное количество труб, омываемых потоком в поперечном направлении; N_п - число труб, омываемых потоком в поперечном направлении; N – общее число труб в пучке (Приложение II, III, табл. 2-4а, 2-4б, 3-4).

Поправочный коэффициент C_з учитывает влияние на конвективный теплообмен в межтрубном пространстве потоков теплоносителя, проходящих через зазоры между перегородкой и кожухом, и между трубами и отверстиями в перегородках. Эти потоки могут достигать 40 % от общего расхода теплоносителя и однозначно ухудшают теплоотдачу в межтрубном пространстве. Величины зазоров определяются технологией изготовления, требованиями сборки и разборки кожухотрубных теплообменных аппаратов и регламентируются ГОСТом (табл. 9, 10) [2, 11].

Таблица 9

Оптимальные отверстия под трубы в перегородках

Наружный диаметр труб dн , мм	Диаметр отверстий dотв , мм	Площадь зазора между трубой и отверстием, мм2
	20,8	25,6
	26,0	40,1

Таблица 10