Средние скорости теплоносителей

Таблица 7

Наилучший метод выбора скоростей теплоносителей основан на технико-экономическом расчете: затраты на электроэнергию для перекачивания теплоносителя увеличиваются с повышением скорости, а стоимость поверхности теплообмена снижается.

Величина скорости теплоносителя влияет на коэффициент теплоотдачи не только для газов и жидкостей, но и для пара. Опыты ВТИ показали, что при подаче конденсирующегося пара тонкими струями с большой скоростью ко-эффициент теплоотдачи возрастает в 3 — 10 раз. С увеличением скорости пара пленка образующегося конденсата утоняется и срывается с поверхно-сти, благодаря чему уменьшается сопротивление переходу теплоты от пара к стенке.

Верхний предел скорости жидкостей и газов лимитируется оптимальным гидравлическим сопротивлением аппарата, а также эрозией материала труб в результате воздействия потока. Динамический напор струи на трубу

(3.10)

В конденсаторах турбин динамический напор достигает 300 Па (при скоро-сти пара до 100 м/с), а в маслоохладителях — 450 Па (при скорости масла около 1 м/с). Если нaпop такого порядка принять за допустимый при, попе-речном обтеканий латунных труб, то оптимальная скорость теплоносителя, м/с, из условий допустимой эрозии будет равна (ρ=1/v):

(3.11)

При продольном обтекании можно исходить из допустимой скорости движения воды в латунных трубах 2,5 м/с, чему соответствует динамический напор в 3200 Па. Допустимая скорость пара или газа, м/с, при продольном обтекании латунных труб или при движении в трубах будет:

(3.12)

Для стальных труб скорости пара, из условия допустимой эрозии, могут быть выбраны более высокими.

3.14 Выбирают направление тока теплоносителей в то или другое простран-
ство теплообменника. Внутри труб легче достигается повышенная скорость,
и поэтому в «жидко-жидкостных» теплообменниках теплоноситель с мень-
шим коэффициентом теплоотдачи или малым расходом лучше направлять в
трубное пространство; в «газожидкостных» теплообменниках обычно жид-
кость подается в трубное пространство, а газ — в межтрубное. Загрязненный
теплоноситель следует подавать в трубы, а чистый — в межтрубное про-
странство, так как очистку внутренней поверхности труб, особенно прямых,
легко осуществить. Коррозионно-активные жидкости следует подавать в тру-
бы. В этом случае только для крышек аппарата и для труб потребуется кор-
розионно-стойкий материал или покрытие. Наиболее важный узел — корпус
аппарата коррозии не подвергается.

Теплоноситель с высокими давлением и температурой предпочтительнее на-правлять в трубы, что способствует снижению механической нагрузки на корпус аппарата и снижению тепловых потерь в окружающую среду. Наобо-рот, если аппарат предназначен для охлаждения вещества то предпочтитель-нее горячий теплоноситель направлять в межтрубное пространство, так как за счет отдачи теплоты в окружающую среду можно уменьшить расход ох-лаждающего теплоносителя.

3.15 Выбирают диаметр труб и определяют их длину и число. В промыш-
ленных теплообменниках редко применяют трубы наружным диаметром
менее 17 -мм. Чаще всего устанавливают трубы наружным диаметром 22,
25, 32 и 38 мм (последние два размера относятся к стальным трубам). Для
загрязненных жидкостей и газов применяют трубы наружным диаметром
44,5, 51, 57 и 76мм.

В судовых теплообменниках для быстроходных высокофорсированных дви-гателей ряд диаметров расширяется в меньшую сторону, и добавляются диа-метры:6, 9, 14, 17 мм,.

Для воздухоохладителей часто применяют оребрённые трубы с диаметром рёбер – d_рёб= 2d_нар и расстоянием между рёбрами – h =0,2 d_нар, Где: d_нар – внешний диаметр трубы под рёбрами.

При проектировании теплообменных аппаратов необходимо иметь в виду, что трубы из цветных металлов следует применять только в обоснованных случаях. Обозначим:

F_вн – поверхность теплообмена на внутренней стороне труб, м²;

d_н и d_вн – наружный и внутренний диаметр труб, м;

l – общая длина трубы в расчёте на одноходовой пучок, м;

l¹ – длина трубы в одном ходе многоходового пучка, м;

n – число труб в аппарате;

z – число ходов в аппарате;

S_тр – проходное сечение труб в одном ходе, м²;

w – скорость теплоносителя в трубах, м/с;

G – массовый расход теплоносителя, кг/с;

ρ – плотность теплоносителя, кг/м³.

Поверхность теплообмена в трубчатом аппарате выражается формулой^.

(3.13)

Выразим секундный объем протекающей в трубах жидкости в виде

(3.14)

тогда общее число труб в аппарате

Длина труб по соотношениям(3.13) и (3.15)

Откуда (3.18) Тогда новое соотношение для длины трубы в аппарате выразится как (3.19) Рабочая длина труб в судовых теплообменных аппаратах составляет 0,2- 2м и редко превышает 5 м. При большей расчетной длине конструируют многоходовые теплообменни­ки, в которых число ходов теплоносителя по трубам z = l/l1, где l1 - рабочая длина трубы в одном ходе. Задавшись рабочей длиной труб в одном ходе, из формулы (3.19) получим:   Z=Fвнdвнρω/4Gl1=Aω (3.20)   т. е. при заданных или выбранных размерах труб dm и l1 а также известных G, Fm и ρ число ходов теплоносителя в трубном пространстве прямо пропор­ционально выбранной скорости w. В многоходовых теплообменных аппаратах число ходов z рекомендуется вы­бирать четным: (2, 4, 6,8, 10). Так, чтобы входной и выходной патрубки теп­лоносителя были расположены водной крышке аппарата.

Выразим длину труб через расход и скорость теплоносителя. Известно, что при z = l

лоносителя были расположены в одной крышке аппарата.

Если по расчёту рабочая длина труб, даже при большом числе ходов (6—8), получается неконструктивно большой, то необходимо либо задаться меньшей скоростью теплоносителя или меньшим диаметром труб, либо принять меньшими обе величины.

16. Выбирают способ крепления и метод разбивки труб в трубной решетке, а также планируют участки под перегородки в трубных решетках и крышках многоходовых аппаратов. Закрепление труб в трубной рещетке должно обеспечивать плотность и прочность соединения, а также возможность легкой замены дефектных труб. Наиболее распространенным способом закрепления труб в судовых и промышленных теплообменниках является развальцовка. Методика расчета трубных решеток на прочность изложена в правилах Регистра, Для предварительной разработки конструкции можно принять толщину трубной решетки, мм,

(3.21)

где С = 10 для стальных и С=20 для медных трубных решеток.

Для высокотемпературных процессов или сильно текучих теплоносителей трубы крепятся в трубных решетках электрической или газовой сваркой или пайкой, однако при этих способах затруднена смена труб, а сами способы сложны в технологическом отношении. В некоторых случаях концы труб уплотняют в трубной решетке с помощью сальников.

Рис. 3.2. Разбивка трубной решетки.

а) — по шестиугольникам; б) – по концентрическим окружностям;

в) — мостик между трубами.

Разбивка труб на плоскости трубной решетки производится после выбора шага между трубами либо по вершинам равносторонних треугольников (ромбический пучок труб), либо по концентрическим окружностям (концен-трический пучок труб). Ромбическая разбивка. труб по периметрам правиль-ных шестиугольников при числе шестиугольников >7 (при условии заполне-ния сегментов) выгоднее размещения по концентрическим окружностям.

Шаг между центрами труб t принимают из условий прочности трубной ре-шетки не менее 1,3 d_н. Можно рекомендовать в зависимости от наружного диаметра труб d_н следующие значения шага t:

Рекомендуемый шаг разбивки трубной решётки

Таблица 8

dн, мм	6 10 12 14	17 22				44,5 51		63,5 77
t, мм	9 13 15 18,5 27 32

В одноходовом теплообменнике с ромбической разбивкой труб при стороне внутреннего шестиугольника, равной шагу между трубами t, при числе впи-санных шестиугольников m общее число труб (с учетом одной центральной трубы) равно (рис. 3.2):

Число шестиугольников для размещения труб

(3.22)

Число труб по диагонали наибольшего шестиугольника составит

(3.23)

При m>6 сегменты между краем трубной решётки и сторонами наружного шестиугольника желательно заполнять трубами.

Размещение труб по концентрическим окружностям производят так, чтобы был выдержан радиальный шаг t, т.е. расстояние между окружностями, и примерно такой же шаг трубами по окружности.

При радиальном шаге радиусы окружностей будут:

Соответственно длины окружностей будут

Число труб по окружности с шагом примерно равным t составит:

Число труб, размещенных в корпусе аппарата с внутренним диаметром D_в можно определить приближенно: при расположении по вершинам тре-угольников

(3.25)

при расположении по вершинам квадратов

(3.26)

где: φ — коэффициент заполнения трубной решетки; φ=0,7 – 1,0.

Число труб, размещенных по шестиугольникам и по окружностям, можно

определить с помощью табл.9.

Разбивка труб по правильным квадратам применяется при использовании в

межтрубном пространстве сильно загрязненных теплоносителей, так как та-

кая разбивка облегчает очистку межтрубного пространства.

Таблица 9