Кожухотрубчатые теплообменные аппараты

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Перенос энергии в форме тепла, происходящий между телами, имею­щими различную температуру, называется теплообменом. Дви­жущей силой любого процесса теплообмена является разность температур более нагретого и менее нагретого тел, при наличии которой тепло само­произвольно, в соответствии со вторым законом термодинамики, перехо­дит от более нагретого к менее нагретому телу. Теплообмен между телами представляет собой обмен энергией между молекулами, ато­мами и свободными электронами; в результате теплообмена интенсив­ность движения частиц более нагретого тела снижается, а менее нагре­того – возрастает.

Тела, участвующие в теплообмене, называются теплоносите­лями.

Теплопередача - наука о процессах распространения тепла. Законы теплопередачи лежат в основе тепловых процессов — нагревания, охлаждения, конденсации паров, выпаривания — и имеют большое значение для проведения многих массообменных (процессы перегонки, сушки и др.), а также реакционных процессов химической технологии, протекающих с подводом или отводом тепла.

Различают три принципиально различных элементарных способа распространения тепла: теплопроводность, конвекцию и тепловое излу­чение.

Теплопроводность представляет собой перенос тепла вслед­ствие беспорядочного (теплового) движения микрочастиц, непосредствен­но соприкасающихся друг с другом. Это движение может быть либо дви­жением самих молекул (газы, капельные жидкости), либо колебанием атомов (в кристаллической решетке твердых тел), или диффузией свобод­ных электронов (в металлах). В твердых телах теплопроводность является обычно основным видом распространения тепла.

Конвекцией называется перенос тепла вследствие движения и перемешивания макроскопических объемов газа или жидкости.

Перенос тепла возможен в условиях естественной, или сво­бодной, конвекции, обусловленной разностью плотностей в различ­ных точках объема жидкости (газа), возникающей вследствие разности температур в этих точках или в условиях вынужденной конвек­ции при принудительном движении всего объема жидкости, например в случае перемешивания ее мешалкой.

Тепловое излучение — это процесс распространения электромагнитных колебаний с различной длиной волн, обусловленный тепловым движением атомов или молекул излучающего тела. Все тела способны излучать энергию, которая поглощается другими телами и снова превращается в тепло. Таким образом, осуществляется лучистый теплообмен; он складывается из процессов лучеиспускания и лучепоглащения.

В реальных условиях тепло передается не каким-либо одним из указанных выше способов, а комбинированным путем. Например, при теплообмене между твердой стенкой и газовой средой тепло передается одновременно конвекцией, теплопроводностью и излучением. Перенос тепла от стенки к газообразной (жидкой) среде или в обратном направлении называется теплоотдачей.

В процессе теплопередачи переносу тепла конвекцией сопутствуют теплопроводность и теплообмен излучением. Однако для конкретных условий преобладающим обычно является один из видов распространения тепла.

В непрерывно действующих аппаратах температуры в различных точках не изменяются во времени и протекающие процессы теплообмена являются установившимися (стационарными). В периодически действующих аппаратах, где температуры меняются во времени (при нагревании или охлаждении), осуществляются неустановившиеся, или нестационарные, процессы теплообмена.

В промышленности теплообмен между рабочими телами (теплоносителями) происходит в специально сконструированных аппаратах, которые называются теплообменниками. Теплообменные аппараты широко распространены в современных химических производствах и имеют весьма многообразное назначение. Вместе с тем, теплообменные аппараты должны отвечать общим требованиям: обладать высокой тепловой производительностью и экономичностью в работе; обеспечивать заданные технологические условия процесса; быть просты по конструкции, сравнительно недороги по стоимости; компактны; обладать современным техническим дизайном; иметь длительный срок эксплуатации; соответствовать нормам СНИП (санитарным нормам и правилам) и ведомственным правилам Госгортехнадзора. Особые требования предъявляются к обеспечению надежности работы аппаратов, возможности автоматического регулирования режимно-технологических параметров и аварийного их отключения. При проектировании всегда следует придерживаться следующего правила: чем более сложен аппарат по конструкции, тем менее он надежен в работе, т.е. при наличии достаточно большого числа компонующих элементов выход из строя какого-либо одного из них приводит к выходу из строя всего аппарата в целом.

Наибольшее распространение в химической промышленности получили теплообменные аппараты рекуперативного типа. В аппаратах этого типа теплообмен между горячим и холодным теплоносителями осуществляется через разделяющую их перегородку (стенку). В самом общем виде процесс теплопередачи между теплоносителями через стенку достаточно наглядно иллюстрируется следующей схемой

Рис. 1.1 Условная схема процесса теплопередачи

Основные уравнения, характеризующие процесс теплообмена для установившегося режима:

1. Теплоотдача от горячего теплоносителя к стенке:

(1.1)

2. Передача теплоты теплопроводностью через стенку (например, через однослойную плоскую стенку):

(1.2)

3. Теплоотдача от стенки к холодному теплоносителю:

(1.3)

4. Теплопередача от горячего теплоносителя к холодному:

(1.4)

Расчет теплообменной аппаратуры включает:

1. Определение теплового потока (тепловой нагрузки аппарата), т. е. количества тепла Q которое должно быть передано за определенное время (в непрерывно действующих аппаратах за 1 сек. или за 1 ч, в периодически действующих — за одну операцию) от одного теплоносителя к другому. Тепловой поток вычисляется путем составления и решения тепловых балансов.

2. Определение поверхности теплообмена F аппарата, обеспечивающей передачу требуемого количества тепла в заданное время. Величина поверхности теплообмена определяется скоростью теплопередачи, зависящей от механизма передачи тепла — теплопроводностью, конвекцией, излучением и их сочетанием друг с другом.

Поверхность теплообмена может быть определена следующим образом:

(1.5)

Следовательно, чтобы рассчитать необходимую поверхность теплообмена нужно определить тепловую нагрузку аппарата, движущую силу процесса и коэффициент теплопередачи.

ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ

Расчет теплообменного аппарата включает определение необходимой поверхности теплопередачи, выбор типа аппарата и нормализованного варианта конструкции, удовлетворяющих заданным технологическим условиям оптимальным образом. Необходимую поверхность теплопередачи определяют из основного уравнения теплопередачи:

МЕТОДИКА ТЕПЛОВОГО РАСЧЕТА

При подборе нормализованных вариантов конструкции теплообменных аппаратов необходимо ориентироваться на достижение возможно более высоких значений коэффициентов теплопередачи, что в конечном итоге приводит к возможному уменьшению необходимой поверхности теплопередачи со всеми вытекающими отсюда последствиями. Рекомендуется, по возможности, на первом этапе подбирать не один аппарат, а сразу несколько, чтобы на стадии оценки гидродинамических режимов течения теплоносителей выделить из них для уточненного расчета наиболее перспективные, для которых .

При таком подборе нормализованного варианта конструкции необходимо уточнять действительную скорость течения теплоносителя для сравнения с предельно допустимым ее значением, определяемым по справочным данным.

Схема расчета теплообменника представлена в приложении (Рис. 1).

РАСЧЕТ ТЕПЛОВОЙ ИЗОЛЯЦИИ

Целью расчета тепловой изоляции является определение толщины слоя теплоизоляционного материала, покрывающего наружную поверхность теплообменника с целью снижения тепловых потерь и обеспечения требований безопасности и охраны труда при обслуживании теплоиспользующих установок. С этой точки зрения температура поверхности слоя изоляции не должна превышать 45⁰с. Расчет толщины теплоизоляционного слоя материала можно проводить по упрощенной схеме, используя следующие уравнения:

(5.1)

(5.2)

т.к. , то из этого следует:

(5.3)

здесь и - соответственно тепловой поток от наружной поверхности слоя изоляции в окружающую среду и тепловой поток теплопроводностью через слой изоляции, Вт;

- коэффициент теплоотдачи в окружающую среду (воздух), Вт/м²К;

, - соответственно толщина (в м) и коэффициент теплопроводности материала изоляции, Вт/м²К;

, , - соответственно температуры наружной стенки аппарата, окружающей среды и наружной поверхности теплоизоляционного слоя, ⁰с.

Коэффициент теплоотдачи, который определяет суммарную скорость переноса теплоты конвекцией и тепловым излучением для аппаратов, находящихся в закрытых помещениях, при температуре поверхности до 150⁰с можно рассчитать по приближенному уравнению:

(5.4)

здесь

Для расчета толщины тепловой изоляции по уравнению (5.4) допускается принять, что , т.к. термическим сопротивлением стенки кожуха допускается пренебречь и принять температуру стенки кожуха равной температуре среды (т.е. теплоносителя) в межтрубном пространстве. Среднегодовая температура окружающего воздуха в закрытом помещении составляет 25⁰с (принимается условно).

Порядок расчета тепловой изоляции:

1. По справочным данным подбирается теплоизоляционный материал.

2. Задаются значениями температур: , , .

3. Рассчитывается значение коэффициента теплоотдачи (по уравнению 5.4)

4. По уравнению 5.3 рассчитывается толщина тепловой изоляции.

Расчет и подбор штуцеров

Присоединение труб к химическим аппаратам бывает разъемное и неразъемное. Первое осуществляется в основном с помощью фланцев или на резьбе, второе — на сварке или пайке.

Кроме труб к аппаратам часто присоединяется всевозможная арматура (вентили, задвижки, краны, клапаны и т. д.), а также различные измерительные приборы (термометры, манометры, уровнемеры и т. д.). В большинстве случаев трубы и особенно арматура и измерительные приборы имеют разъемное присоединение к аппаратам, что обусловливается главным образом удобством (при необходимости) их осмотра, ремонта и замены.

Для разъемного присоединения труб, арматуры и измерительных приборов на аппарате обычно предусматриваются штуцера (патрубки) фланцевые или резьбовые.

Наибольшим распространением пользуются фланцевые штуцера для присоединения труб, арматура и приборов с,а резьбовые штуцера — с

В табл. 12, 13, 14(см. приложение) приведены основные данные о нормализованных штуцерах: для аппаратов из двухслойной стали, стальных с эмалевым покрытием, медных.

При конструировании аппаратов штуцера следует принимать нормализованные. В случаях отсутствия нормали на штуцера, последние принимают по конструктивным соображениям. При этом рекомендуется: в изолируемых аппаратах вылет штуцеров принимать из расчета, чтобы фланцевое или резьбовое соединение штуцера было бы за пределами изоляции аппарата с целью доступа к этим соединениям для осмотра и подтяжки; в неизолируемых аппаратах вылет штуцеров принимать из расчета заводки болтов или шпилек со стороны аппарата (во фланцевых штуцерах), что часто диктуется удобством сборки. Данное условие не является обязательным, поскольку во многих случаях заводить болты возможно и в сторону аппарата, что позволяет уменьшить величину вылета штуцеров.

Рис. 7.1 Конструкция присоединения малых штуцеров к стенкам сварных и паянных аппаратов

Во всех случаях рекомендуется вылеты штуцеров в аппаратах из любых материалов делать возможно меньшими (определяется соответствующими ГОСТами), за исключением тех случаев, когда это не идет вразрез с конструктивными особенностями того или иного аппарата или спецификой его монтажа.

В отдельных случаях, когда к аппарату на незначительном расстоянии, хотя и превышающем рекомендуемый вылет, требуется присоединить другой аппарат, арматуру и т. п. с целью исключения лишних фланцевых или резьбовых соединений, целесообразно предусматривать удлиненные штуцера, а иногда и фасонные штуцера с заворотами, коленами и т. п.

Присоединение к аппарату на сварке или пайке штуцеров с рекомендуется укреплять одной или двумя планками согласно рис. 7.1.

Диаметр условного прохода (внутренний диаметр) штуце­ров для подвода и отвода теплоносителей рассчитывается на ос­нове уравнения массового расхода:

(7.1)

откуда

(7.2)

здесь - скорость течения теплоносителя в штуцере, м/с.

Обычно расход перекачиваемой среды известен и, следовательно, для расчета диаметра штуцера требуется определить единственный параметр — . Чем больше скорость, тем меньше требуемый диаметр штуцера, т. е. меньше стоимость, его монтажа и ремонта. Однако с увеличением скорости растут потери напора в трубопроводе, что приводит к увеличению перепада давления, необходимого для перемещения среды, и, следовательно, к росту затрат энергии на ее перемещение.

Оптимальный диаметр, при котором суммарные затраты на перемещение жидкости или газа минимальны, следует находить путем технико-экономических расчетов. На практике можно исходить из следующих значений скоростей, обеспечивающих близкий к оптимальному диаметр трубопровода:

Перекачиваемая среда ω, м/c

Ж и д к о с т и

При движении самотеком:

вязкие 0,1 – 0,5

маловязкие 0,5 – 1,0

Г а з ы

При естественной тяге 2 – 4

При небольшом давлении (от вентиляторов) 4 – 15

При большом давлении (от компрессоров) 15 – 25

П а р ы

Перегретые 30 – 50

Насыщенные при давлении, Па:

больше 10⁵ 15 – 25

(1— 0,5) 10⁵ 20 – 40

(5—2)10⁵ 40 – 60

(2—0,5) 10⁵ 60 – 75

Рассчитанный по уравнению 7.2. диаметр округляют до ближайшего большого размера в соответствии с таблицей 2 (см. приложение).

Расчет трубных решеток

Одним из основных элементов теплообменных аппаратов являются трубные решетки, представляющие собой перегородки, в которых закрепляются трубы и которыми трубное пространство отделяется от межтрубного.

По форме трубные решетки бывают круглые, кольцевые и прямоугольные. Наибольшее распространение имеют круглые решетки, которые могут быть плоскими, сферическими и эллиптическими.

Рис. 7.8. Типовые конструкции трубных решеток.

Наибольшее распространение получили съемные трубные решетки представленные на рис. 7.8.

Трубные решетки изготовляются в основном из листового проката, а в ряде случаев — литыми, причем, как правило, материал решеток должен быть более прочным и жестким, чем материал труб.

Во всех кожухотрубчатых теплообменниках с жестким соединением трубных решеток с обечайкой корпуса, работающих под избыточным давлением в трубном или межтрубном пространствах, в месте соединения решетки с обечайкой действуют краевые моменты, вызывающие в нем соответствующие дополнительные напряжения.

Эти напряжения в обечайке по мере удаления от места соединения с решеткой быстро уменьшаются.

С целью снижения концентрации указанных напряжений рекомендуется обечайку в месте присоединения ее к решетке на длине не менее 10s (но не менее 100 мм) выполнять утолщенной в 1,2—1,4 раза. Кроме того, место соединения утолщенной обечайки с решеткой целесообразно выполнять с галтелью радиусом, равным толщине

присоединяемой стенки.

Для аппаратов из хрупких материалов или материалов, снижающих свою пластичность в рабочих условиях, приведенные рекомендации являются обязательными при конструировании.

Размещение труб в трубных решетках (рис. 7.9) производится по вершинам равносторонних треугольников, вершинам квадратов и концентрическим окружностям. В ряде случаев встречается необходимость комбинированного размещения. Наиболее рациональным является размещение по вершинам равносторонних треугольников, при котором при одном и том же шаге между трубами на решетке помещается максимальное количество труб. Размещение по вершинам квадратов целесообразно производить при необходимости чистки межтрубного пространства.

Рис. 7.9. Размещение труб в трубных решетках: I— по вершинам равносторонних треугольников;

II — по вершинам квадратов; III— по концентрическим окружностям

В табл. 15 (см. приложение) указано количество труб в круглых плоских трубных решетках при размещении их по вершинам равносторонних треугольников и концентрическим окружностям. В последнем случае количество труб на каждой из концентрических окружностей принимается по таблице для соответствующего количества труб на диаметре этих окружностей.

Таблица 7.5

Величина минимального шага между трубами t

в трубных решетках

Для стальных сварных кожухотрубчатых теплообменников диаметром до 1400 мм с U-образными трубами наружным диаметром 25 и 20 мм размещение труб в трубных решетках (по вершинам квадратов и равносторонних треугольников) установлено ГОСТом 13203—67. Шаг между трубами в трубных решетках зависит от диаметра труб d_н

и способа их закрепления.

Минимальную величину шага между трубами t рекомендуется принимать по табл. 7.5. При этом в зависимости от способа закрепления труб значение величины простенка между трубами должно быть: при развальцовке ; при пайке ; при приварке — для

s 2 мм , для s>2 мм ,где s — толщина стенки трубы.

Расчетная температура трубных решеток определяется теплотехническим расчетом для наиболее неблагоприятного случая, возможного при эксплуатации.

7.4.1 Плоские круглые трубные решетки

Типовые конструкции круглых плоских трубных решеток, применяются в конструктивно отличающихся друг от друга различных кожухотрубчатых аппаратах. Основные конструктивные схемы

таких аппаратов показаны на рис. 7.10.

Выбор конструктивной схемы аппарата обусловливается химико-технологическими и теплотехническими соображениями.

Определение толщины трубных решеток производится в зависимости от конструктивной схемы теплообменного аппарата и конструкции решетки для наиболее характерных мест ее; снаружи и посередине.

Рис. 7.10. Основные конструктивные схемы цилиндрических кожухотрубчатых теплообменников с плоскими трубными решетками: I — прямотрубный жесткой конструкции и нежесткой (с компенсатором на корпусе); 1 — без перегородок; 2 — с перегородками); II — с плавающей головкой; III — с U-образными трубами; IV — с витыми трубами и сердечником, нежестко соединенным с трубными решетками

7.4.2 Расчет трубных решеток в аппаратах по конструктивной схемеI

В этом случае применяются конструкции решеток, представленных на рис. 7.8.

Аппараты по конструктивной схеме I могут быть жесткой и нежесткой конструкций. Первая характеризуется жестким соединением обечайки и труб теплообменника с трубной решеткой, а вторая, благодаря наличию компенсатора (обычно на обечайке), допускает некоторое перемещение жестко соединенной с трубами трубной решетки относительно обечайки.

По конструктивной схеме I могут быть применены конструкции решеток типов V, VI, VII, VIII, IX и X (рис. 7.8).

Решетки в аппаратах по конструктивной схеме I нежесткой конструкции рекомендуется рассчитывать следующим образом.

Упрощенно считается, что указанные решетки подперты трубами, работающими в аппаратах по схеме I—на растяжение от давлений в трубном и межтрубном пространствах р_т и р_м.

В аппаратах по конструктивной схеме I, считая решетку упругой, средняя часть труб испытывает осевое сжатие, а наружная — растяжение.

Напряжение в трубах на растяжение обычно не проверяют вследствие незначительной их величины. Что касается осевого сжатия, то оно может быть, значительным и поэтому подлежит проверке.

Условие устойчивости труб при осевом сжатии в таких аппаратах, исходя из усредненной нагрузки на них от давления в трубном пространстве р_т, определяется по формуле

(7.21)

где D — расчетный диаметр решетки в м (см);

— наружный и внутренний диаметры труб в м (см);

— расчетные давления в трубном и пространстве в Mн/м²;

— допускаемое напряжение на сжатие для материала

труб в Мн/м²;

— коэффициент уменьшения допускаемого напряжения при осевом сжатии. Определяется по графику рис. 7.11 в зависимости от гибкости трубы .

Здесь L — расстояние между трубными решетками, а при

наличии в трубном пучке поперечных перегородок — расстояние между последнимив м (см);

м (см) — радиус инерции поперечного сечения трубы.

Номинальную расчетную высоту трубных решеток h’ в м (см) при соблюдении условия(7.21) следует определять по формуле

(7.22)

где ρ — большее из расчетных давлений в Мн/м²;

l — максимальное среднее арифметическое сторон прямоугольника в решетке, образованного центрами четырех смежных труб или центрами двух смежных труб в крайнем ряду и контуром решетки по расчетному диаметру ее D (см. жирно очерченные прямоугольники на рис. 7.9) в м (см).

Минимальные значения в части решетки, где расположены трубы, зависят от размещения их. При размещении труб: по типу I ; по типу II ; по типу III .

Номинальную расчетную высоту решетки снаружи h₁’ для типов V, VI, VII и X следует определять по формуле:

(7.23)

Номинальную расчетную высоту решетки посередине h’ для типов V, VI, VII и X следует определять по формуле:

(7.24)

а типа VIII — по формуле:

(7.25)

Значения величин К, D и ρ в формулах (7.23) - (7.25) для каждого из типов решеток приведены в табл. 7.6;

— коэффициент ослабления решетки отверстиями, определяется по формуле:

(7.26)

где - сумма диаметров отверстий в решетке на диаметре ;

- средний диаметр уплотнения м(см).

— допускаемое напряжение на изгиб для материала решетки в Мн/м2.

Таблица 7.6

Значение величин в формулах (7.23) и (7.24) для различных типов трубных решеток

Тип решетки	В формуле (7.23)	В формуле (7.24)
K	D	p	K	D	p
V и VI	0,28	Dн		К2 по рис. 7.12	Dп
0,6	Dн
VII	0,36	Dп	Большее или	0,47	Dп	Большее или
VIII	-	-	-	К2 по рис. 7.12	Dп
0,47	Dв
IX	0,36	Dп1		К2 по рис. 7.12	Dп
0,45	Dп1
X	0,28	Dв		К2 по рис. 7.12	Dп
0,47	Dв

Рис. 7.11. Значения коэффициента К₁ в Рис. 7.12. Значение коэффициента К в

формуле (7.25) таблице 7.6.

Расчет средней части решеток типов V, VI, VIII, IX и X по формуле (7.24) производится для двух значений(указанных в табл. 7.6) К, D и ρ (верхнего и нижнего).За расчетное принимается большая величина.

В тех случаях, когда условие (7.21) не выполнено, номинальную расчетную высоту решетки посередине h’ в аппаратах по схеме I нежесткой конструкции рекомендуется определять так же, как в аппаратах по схемам II (решетка А).

При этом в формуле (7.24) вместо р_т подставляется фиктивное давление р_тф в Мн/м²:

(7.27)

7.4.3 Расчет закрепления труб в трубных решетках

Расчетная осевая сила в Мн ,действующая в месте закрепления трубы в решетке, зависит от конструктивной схемы теплообменника и принимается равной для аппаратов по схеме I (нежесткой конструкции):

(7.28)

где D — расчетный диаметр решетки в м (см);

— наружный и внутренний диаметры трубы в м (см);

— количество труб;

р— большее из. или в Мн/м².

для аппаратов по схеме I (жесткой конструкции):

(7.29)

где — осевое напряжение в трубах, берется: при температуре корпуса большей, чем температура труб — по (7.30), при температуре корпуса меньшей, чем температура труб — большее значение из (7.31) и (7.32), в Мн/м².

(7.30)

(7.31)

(7.32)

где - сила взаимодействия между жестко закрепленными частями аппарата за счет температурных напряжений в Мн;

, - площади поперечного сечения корпуса и труб в м²(см²);

, - модули упругости для материалов корпуса и труб при температурах соответственно и Мн/м²;

и - средние расчетные температуры корпуса и труб, исходя из максимальной разности температур, возможной в процессе эксплуатации, пуска и остановки аппарата, в ⁰С.

Сила взаимодействия между жестко закрепленными частями аппарата (например, между корпусом и трубами) за счет температурных напряжений определяется по формуле:

(7.33)

где , - коэффициенты линейного расширения для материалов корпуса и труб при температурах и в ⁰С.

Закрепление труб в решетке производится: стальных — развальцовкой, сваркой; из цветных металлов и сплавов — развальцовкой, сваркой, на мягком припое; из неметаллических материалов — па клею.

Наиболее надежным закреплением является сварка с последующей развальцовкой.

Расчетная высота трубной решетки h’ в м (см), исходя из закрепления в ней труб развальцовкой, определяется по формуле:

(7.34)

где q — допускаемая нагрузка, приходящаяся на единицу условной поверхности развальцовки, в Мн/м².

Кроме того, для стали:

, мм (7.35)

но не менее 10 мм

Для меди и латуни:

, мм (7.36)

но не менее 12 мм.

Допускаемая нагрузка, приходящаяся на единицу условной поверхности, q— в формуле (7.34) зависит от типа развальцовки и материала. В табл. 7.7 приведены значения q.

Таблица 7.7

Значения допускаемой нагрузки, приходящейся на единицу условной поверхности, q при развальцовке труб в трубных решетках

Материал	Развальцовка
I (гладкая)	II (в канавках)	III (с отбортовкой трубы)
q, Мн/м2
Сталь
Цветные металлы и сплавы	15	30	40

Примечание. Геометрические размеры отверстий под развальцовку труб в трубных решетках: , но не 5 и не более 10 мм; . При , ; при до 100 мм , . Развальцовка производится на глубину не менее .

- предел текучести цветного металла или сплава в Мн/м².

При закреплении труб в решетке сваркой, пайкой или на клею расчетная высота сварного или глубина паяного, или клееного швов в м (см) определяется по формуле:

(7.37)

где