Рис. 1.14. Кожухотрубний теплообмінник з плаваючою головкою:

    а —відкритий тип; б—закритий тип. 

    Теплообмінники  з U - подібними трубами (рис. 1.15) мають одні трубні грати, в які ввальцовані обидва кінці кожної U - подібної труби.

    Корпус  теплообмінника не пов'язаний жорстко  з трубами, і кожний елемент може подовжуватися, не викликаючи термічних  напруг в місцях приєднання. Недоліком  таких теплообмінників є трудність  внутрішнього очищення труб. 

    

 

    Рис. 1.15. Кожухотрубний теплообмінник з U - подібними трубами.

 

     Кожухотрубні теплообмінники мають  наступні умовні позначення: конденсатори — К, випарники — И, теплообмінники — Т, холодильники — X. Друга буква умовного позначення показує наявність конструкційних пристроїв для компенсації температурних деформацій: ТН — теплообмінник з нерухомими трубними гратами; ТП — теплообмінник з плаваючою головкою; ХК — холодильник з температурним компенсатором на кожусі; ИУ — випарник з U-образними трубками.

    При виборі і створенні теплообмінної  апаратури необхідно враховувати  такі важливі чинники, як теплове  навантаження апарату, температурні умови  процесу, физико-хімічні параметри  робочих середовищ, умови теплообміну, характер гідравлічних опорів, вид  матеріалу і його корозійну стійкість, простота пристрою та компактність, розміщення апарату, взаємний напрямок руху робочих  серед, можливість очистки поверхні теплообміну від забруднень, витрати  металу на одиницю відданої теплоти  та інші техніко-економічні показники.

    Економічне  використовування якісних матеріалів, високий рівень технології виготовлення і повне використовування всіх досягнень  теплопередачі дають можливість вибору і створення раціональних теплообмінних апаратів, що задовольняють  всім перерахованим вимогам.

    Хімічні продукти в тій чи іншій мірі завжди викликають корозію матеріалу апарату, тому для виготовлення їх застосовуються різні метали (залізо, чавун, алюміній) і їх сплави. Найбільше застосування знаходять сталі. Завдяки здатності змінювати свої властивості залежно від складу, можливості термічної і механічної обробки сталі з низьким змістом вуглецю добре штампуються, але погано обробляються різанням. Добавки інших металів — легуючих елементів — покращують якість сталей і додають їм особливі властивості (наприклад, хром покращує механічні властивості, зносостійкість і корозійну стійкість; нікель підвищує міцність, пластичність; кремній збільшує жаростійкість).

    Легуючі елементи позначаються буквами: X —  хром, Н — нікель, М — молібден, Г — марганець, С— кремній, Т — титан, Д — мідь, Ю — алюміній і т.і. Наприклад, сталь марки Х18Н12М2Т містить (в %): вуглецю — менше 0,1; хрому — 18; нікелю — 12; молібдену — 2; титана — менше 1.

    Сталі звичайної якості (наприклад, Ст3) застосовують для виготовлення апаратів, що працюють під надмірним тиском до 6 МПа  при температурах від мінус 30 °С до плюс 425 °С. Для більш жорстких умов застосовують вуглецеві сталі  поліпшеної якості — марок 15К і 20К.

    Для підвищення термостійкості і міцності застосовують низколегированные сталі 10Г2С1, 16ГС, ЗОХ, 40Х, що дозволяє використовувати  апарати при температурах від  мінус 70°С до плюс 550 °С.

    Для підвищення кислотостійкості і жароміцності апаратів їх виготовляють з хромоникелевых сталей марок Х18Н10Т, Х18Н9Т.

    Для дуже агресивних середовищ застосовуються високолеговані сталі, наприклад 0Х23Н28МЗДЗТ.

    При виробництві теплообмінних апаратів корпусу їх виконуються із сталевих листів (переважно товщиною більше 4 мм), що виготовляються гарячим плющенням.

    Кожухотрубні  теплообмінники застосовуються як рідинні і газові підігрівачі, конденсатори і випарники. Вони працюють при умовному тиску до 6,4 МПа і температурах від мінус 30 °С до плюс 450 °С.

    Кожухотрубні  теплообмінні апарати загального призначення  виготовляють з вуглецевої або неіржавіючої сталі з площею поверхні теплообміну  від 1 до 2000 м².

    Кожухотрубні  теплообмінники із зовнішнім діаметром  кожуха 159—426 мм виготовляють із стандартних  труб. Кожухи теплообмінників діаметром  понад 400 мм виготовляють зварними з  листового прокату вуглецевої або  неіржавіючої сталі.

    Кожухотрубні  теплообмінники з U- образними трубами застосовують для теплообміну при температурах від мінус 30 °С до плюс 450 °С і тиску в межах 1,6—6,4 МПа. Стандартні теплообмінники виготовляють з діаметром кожуха від 325 до 400 мм. Кожух і розподільна камера можуть бути виготовлені із сталі ВМСтЗСн або 16ГС, теплообмінні труби — із сталі 20, в конденсаторах — із сплаву АМг2М.

    При температурах теплоносія вище 400°С застосовують леговані марки сталі. Труби для  теплообмінників вибирають, виходячи з агресивності теплоносіїв. Для  стандартних теплообмінників застосовують труби з вуглецевої сталі 10 і 20, коррозійностійкої  сталі 0Х18Н10Т і латуні ЛОМ 70-1-0,06. Для  конденсаторів застосовують труби  з латуні ЛАМш 77-2-0,06. При використовуванні агресивних теплоносіїв приймають  труби із сталі Х5М, а трубні грати  виготовляють із сталі 16ГС плі двошарової сталі 16ГС+ Х18Н10Т.

    Кожухотрубні  теплообмінники зі всіх видів теплообмінників  найпростіші по конструкції, прості в експлуатації і володіють невисокою  ціною, тому даний вид теплообмінників  має найбільше застосування по відношенню до інших видів.

2. Розрахунок теплообмінника

 

    Постановка  задачі. Потрібно розрахувати геометричні розміри горизонтального трубчастого кожухотрубного теплообмінного апарату в якому потоком гарячої рідини (води), масовою витратою m₁ з початковою t₁^’, і кінцевою t₁^” температурами, здійснюється підігрів масла (газотурбінне марки М30), масовою витратою m₂, в температурному діапазоні від t₂^’ до t₂^”.

    Значення  параметрів першого та другого теплоносіїв  наведено в таблиці 2.1. 

    Параметри теплоносіїв

      Таблиця 2.1

 

* - приведені параметри теплоносіїв при середніх температурах: для масла при температурі t_м.сер = 30 ^оС, для води – t_в.сер = 70 ^оС. 

1. Тепловий  розрахунок

  

    Рис. 2.1.1. Схема руху теплоносіїв у теплообмінному апараті

 

    Задаємось наступними значеннями:

• діаметр кожуха – D_к.зовн = 800 мм;
• зовнішній діаметр труб – d_{тр.зовн} = 16 мм;
• товщина стінки - d_ст.тр. = 2 мм.

 

    Враховуючи  те, що розміщення труб на трубній дошці виконуємо по вершинах рівностороннього трикутника, тому відстань між ними приймаємо рівною – S₁ = S₂ = 24 мм.

    Для визначення кількості труб у трубному пучку необхідно розрахувати  значення S₃, мм:

    S₃ = _{= = 20},78 » 21 (мм).           (2.1.1) 

      

    Рис. 2.1.2. Схематичне розміщення труб та розміри між ними на трубній дошці 

    Обчислюємо  кількість труб у центральному горизонтальному  ряду, за формулою:

    n_г =  ₌ = 33 (шт.).                                 (2.1.2) 

    Розраховуємо  кількість рядів труб (разом із центральним горизонтальним рядом), шт.: 

    n_в =  ₌ = 19 (шт.).                              (2.1.3) 

    Загальну  кількість труб у трубному пучку  визначаємо шляхом додавання кількості  труб, які розміщені в кожному ряду але зменшуючи на 1, а саме: 
 
 

     15

    16                                                   n_в

     …      = 19 рядів

    32

    33 

                          n_г 
 

    Рис. 2.1.3.  

    Тому, загальна кількість труб становитиме:

    N_тр = ^_.      (2.1.4)

    Підставивши значення, отримаємо:

    N_тр = (48 ^. 9 + 24) ^. 2 + 33 = 879 (шт.).

    Визначаємо  кількість теплоти, переданої від води до масла:

       (2.1.5)

де :  G_1м - масова витрата води, G_1м  = 2,22 кг/с;

    С_р.м - теплоємність води, С_р.м  = 4,174 кДж/(кг ^{. о}С);

    t’₁ – температура води на вході в підігрівник, t’₁ = 90 °С;        

    t”₁ - температура води на виході з підігрівника, t”₁ = 50 °С.

    Аналогічно  розраховуємо кількість теплоти, яку отримано маслом:

  (2.1.6)

    Величина  тепловтрат в теплообмінному апараті  становитиме:

                       _(2.1.7)

    Обчислюємо  об’ємну витрату першого (вода) і другого (масло) теплоносіїв:

• вода:

    G_1v = = = 0,0023 (м³/с).                                (2.1.8)

• масло:

G_2v = = = 0,0047 (м³/с).                                (2.1.9) 

 

1. Визначаємо  швидкість руху теплоносія, м/с:

    w₁ = _,

де  - площа перерізу між трубного простору на трубній дошці, м²: 

    Підставивши значення, отримаємо:

    w₁ = _,

2. Знаходимо число Рейнольдса:

n

де   d_екв1 – еквівалентний діаметр трубного пучка, м²: 

де :  - площа перерізу між трубного простору на трубній дошці, м²: 

      – периметр між трубного простору  на трубній дошці, м: 

3. Розраховуємо  число Нусельта:

 

4. Знаходимо коефіцієнт теплообміну:

l

5. Визначаємо швидкість руху теплоносія, м/с: