Расчет кожухотрубного теплообменника

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

Вот список всех важных уравнений кожухотрубного теплообменника.

Общее уравнение теплопередачи

Общая теплопередача в любом теплообменнике определяется следующим уравнением:

Уравнение 1:

Где:

Q = общая скорость теплопередачи
U = Общий коэффициент теплопередачи 
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:

Где:

ΔT1 → разница температур между горячей и холодной жидкостями на одном конце теплообменника
ΔT2 → разница температур между горячей и холодной жидкостями на другом конце теплообменника.

LMTD с поправочным коэффициентом:

Однако LMTD действителен только для теплообменника с одним проходом оболочки и одним проходом трубы. При многократном числе проходов кожуха и трубы схема течения в теплообменнике не является ни чисто попутной, ни чисто противоточной. Следовательно, для учета геометрической неравномерности логарифмическая средняя разность температур (LMTD) должна быть умножена на поправочный коэффициент Средней разности температур (MTD) (FT), чтобы получить Скорректированную среднюю разность температур (Corrected MTD). 

Уравнение 3:

Эта формула поможет вам быстро рассчитать поправочный коэффициент LMTD для кожухотрубного теплообменника с несколькими боковыми проходами кожуха или трубы.

Количество труб в зависимости от требуемой площади теплопередачи.

Количество труб, необходимых в кожухотрубном теплообменнике (NT), может быть рассчитано с использованием следующего уравнения, основанного на общем требовании к площади теплопередачи.

Уравнение 4:

Где мы получаем AВ целом (общая требуемая площадь теплопередачи) из уравнения скорости теплопередачи (Уравнение-1).

OD-наружный диаметр выбранной трубы
L-общая длина трубы.

Это уравнение довольно прямолинейно основано на геометрии выбранного кожухотрубного теплообменника.

Скорость жидкости со стороны трубки:

Скорость со стороны трубы важна для оценки числа Рейнольдса на стороне трубы, а затем для получения коэффициента теплопередачи для жидкости со стороны трубы. Мы можем использовать следующее уравнение для боковой скорости трубы.

Уравнение 5:

Где:

m = массовый расход со стороны трубы
NP = Количество проходов трубы NT = Количество труб
ρ = Плотность жидкости со стороны трубы
ID = внутренний диаметр трубы

Далее, число Рейнольдса для жидкости со стороны трубки вычисляется как

Уравнение 6:

Здесь μ-вязкость жидкости со стороны трубки

Общее уравнение коэффициента теплопередачи:

Когда у нас есть ручка для области теплопередачи (AВ целом) и разности температур (LMTD), единственное оставшееся неизвестным в уравнении теплопередачи (Уравнение-1) - это общий коэффициент теплопередачи (U). Мы можем использовать следующее уравнение для получения общего коэффициента теплопередачи кожухотрубного теплообменника.

Уравнение 7:

Где:

ho = стороне раковины коэффициент теплопередачи
hi = пробка сторона коэффициент теплопередачи
Rdo = стороне раковины грязь фактор
Rdi = пробка боковые грязи-фактор
OD и ID соответственно наружный и внутренний диаметры для выбранного размера пробки
Ao и Ai это наружная и внутренняя поверхности значения для труб
kw это значение сопротивления на стенки трубы

Обратите внимание, что этот общий коэффициент теплопередачи рассчитывается исходя из площади наружной поверхности трубы (Ао). Поэтому его необходимо умножить на значение Ао для использования в общем уравнении теплопередачи.

Расчеты кожухотрубных теплообменников

Мы уже видели, что проектирование кожухотрубного теплообменника-это итеративный процесс. Часто инженеры предпочитают использовать программное обеспечение для проектирования теплообменника для создания модели теплообменника. Затем вы можете использовать эту модель для моделирования работы теплообменника и проверки его соответствия вашим технологическим требованиям.

Однако если вы решите вручную выполнить расчет размеров теплообменника, вот несколько шагов, которые могут вам помочь.

Рекомендуемые шаги:

Вот некоторые рекомендуемые шаги для использования уравнений конструкции теплообменника:

1. Зафиксируйте значения температуры на входе/выходе

2. Вычислить LMTD

3. Выберите трубу кожухотрубного теплообменника (TEMA) .

4. Определитесь с геометрией оболочки и трубы

5. Вычислить площадь теплопередачи на основе выбранной геометрии (Общая)

6. Получить общий коэффициент теплопередачи (U), используя подходящую эмпирическую корреляцию для данной жидкости - например, уравнение Седера-Тейта

7. Рассчитайте общую скорость теплопередачи (Q), используя уравнение-1

8. Проверка Q соответствует потере/получению тепла через изменение температуры на горячей и холодной стороне. Это основной энергетический баланс на жидкостях со стороны оболочки / трубки.

9. Проверьте перепад давления на стенках корпуса и трубки. Соответствует ли это допустимому перепаду давления в соответствии с технологическими требованиями?

10. Если конструкция адекватна в соответствии с технологическими требованиями, проверьте предварительные материальные затраты. Они в рамках бюджета?

11. Если какая-либо из проверок проекта или бюджета не удается, вернитесь к шагу 4 и повторите процесс, пока не получите удовлетворительную конструкцию теплообменника оболочки и трубки.

Если все вышеизложенное слишком сложно для вас или у вас остались вопросы, наши теплотехники со стажем более 20 лет помогут с расчетами и установкой.

Ознакомиться с ассортиментом вы можете в нашем каталоге

Для получения консультации с нами можно связаться любым удобным способом:

По почте: info@kvip.su

По телефону: +7 (343) 288-35-54 или WhatsApp

Подписывайтесь на наш телеграм канал, там всегда много полезного и интересного.