Материал: 2482

9.3.2. Выбор основных параметров теплообменника типа «труба в трубе»

Теплообменники типа «труба в трубе» широко используются при разогреве нефтепродуктов. Преимущество таких теплообменников заключается в простоте конструкции, и они могут быть собраны из стандартных элементов. При необходимости поверхность теплообмена может быть увеличена за счет установки нескольких секций.

На рис. 9.6 показан секционный паровой подогреватель топлива ПТС типа «труба в трубе».

Горячий пар входит через клапан 4, проходит по трубе 7 и выходит через клапан 5 в виде конденсата. Проходя по трубе, пар нагревает ее и отдает теплоту через стенки трубы 7 нефтепродукту. Холодный нефтепродукт под действием перепада давления входит в подогреватель через клапан 6, а выходит через клапан 3. Нефтепродукт, проходя через кольцевое сечение подогревателя, увеличивает свою температуру, снижая вязкость и увеличивая текучесть. Массовый расход пара и нефтепродукта регулируется проходными сечениями клапанов.

Рис. 9.6. Подогреватель топлива секционный типа ПТС:

1 и 2 – опоры неподвижные; 3 – клапан выхода топлива; 4 – клапан входа пара; 5 – клапан выхода конденсата; 6 – клапан входа топлива; 7 – труба нагревательная;

8 – корпус подогревателя; 9 – фланец корпуса; 10 – болт; 11 – крышка; 12 – изоляция; 13 – рёбра нагревательной трубки; А и Б – вход и выход нефтепродукта; В – вход пара; Г – выход конденсата

На рис. 9.7 показан разрез теплообменника типа «труба в трубе». Горячий теплоноситель движется по внутренней трубе, а нефтепродукт – по кольцевому каналу. Теплота передается от одного теплоносителя к другому через цилиндрическую стенку.

141

Тепловой поток теплоносителя в трубе определяется из выражения

в кольцевом канале

где m1, m2 – массовые расходы теплоносителей во внутренней трубе и кольцевом канале соответственно, кг/с;

t11, t12 – температура на входе и выходе внутренней трубы, °С; t21, t22 – температура на входе и выходе кольцевого канала, °С.

При установившемся режиме теплообмена Ф1 Ф2 Ф. При равенстве уравнений 9.26 и 9.27 получается баланс теплового потока.

2, t2

Q

1, t1

d1 D1 d2 D2

1 2 3

Рис. 9.7. Теплопередача через цилиндрическую стенку: 1 – внутренняя труба; 2 – кольцевой канал; 3 – изменение температуры; d1 – внутренний диаметр

внутренней трубы; D1 – наружный диаметр внутренней трубы; d2 – внутренний диаметр кольцевого сечения; D2 – наружный диаметр кольцевого сечения

По кольцевому каналу движется нефтепродукт, например мазут М-40, который под действием перепада давления, создаваемого насосом, входит в кольцевой канал при температуре 10 °С (t21), а на выходе из кольцевого канала температура должна повыситься до 40 °С(t22). Теплоемкость нефтепродукта составляет 2,1 кДж/(кг∙К). Время подогрева 4 ч (14400 с). Масса мазута 20 000 кг. Массовый расход мазута m2 = M/t составит 1,388 кг/с. Необходимый тепловой поток Ф2 определяем по формуле 9.27, и он составит 87,4 кДж/с или 87,4 кВт.

Далее выбирают вид теплоносителя (пар, горячая вода, нагретый керосин). Допустим, мы выбрали в качестве теплоносителя горячую воду с температурой на входе в теплообменник 90 °С (t11), а на выходе 50 °С (t12). Удельную массовую теплоемкость воды примем равной 4,18 кДж/(кг∙К). По формуле 9.26 нахо-

142

дим необходимый массовый расход горячей воды при Ф1 Ф2 , который соста-

вит 0,52 кг/с или 1872 кг/ч.

Определив требуемое значение теплового потока Ф для нагрева нефтепродукта, находим необходимую площадь F поверхности горячего теплоносителя

(нагревателя), используя уравнение теплопередачи:

где к – средний, постоянный для поверхности F коэффициент теплопередачи, Вт/(м2∙К); tн – средний для поверхности F температурный напор между теплоносителями, °С.

Средний температурный напор tн определяют по формулам 9.15 или 9.16.

Коэффициент k теплопередачи рассчитывается по формуле:

где 1 – коэффициент теплоотдачи от теплоносителя, протекающего во внутренней трубе, к внутренней поверхности трубы, Вт/(м2 К);

2 – коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности трубы к теплоносителю, протекающему в кольцевом канале, Вт/(м2 К);

T – коэффициент теплопроводности материала внутренней (центральной) трубы, Вт/(м К);

d1, D1 – внутренний и наружный диаметры центральной трубы, м.

Для нахождения коэффициентов теплоотдачи 1 и 2 по числу Нуссельта необходимо знать теплопроводность материала стенки ( , Вт/(м К)) и значе-

ние эквивалентного диаметра (dэ, м). Число Нуссельта определяют по формулам 9.9 или 9.10 в зависимости от режима движения.

Определив значение коэффициента теплопередачи k и средний температурный напор t, по формуле 9.28 находим площадь нагрева F теплообменного аппарата, м2. В зависимости от величины площади нагрева выбираем марку теплообменного аппарата и число секций.

9.3.3. Пример расчета теплообменного аппарата типа «труба в трубе»

Определить поверхность нагрева и число секций теплообменника типа «труба в трубе» (рис. 9.6). Греющая (горячая) вода движется по внутренней (центральной) стальной трубе ( с 45 вт/(м·К). Отношение наружного и внут-

реннего диаметра трубы равно D1/d1 = 35/32 мм. Температура на входе tж1 95 С , расход греющей воды G1 2130кг/ч [17].

143

мой воды G2 3200 кг/ч. Длина одной секции теплообменника l = 1,75 м. По-

терями теплоты через внешнюю поверхность теплообменника пренебречь. Решение. Теплоемкость воды ср2 4,19 кДж/(кг·К).

Количество передаваемой теплоты [16, 17]

Находим средние арифметические значения температур теплоносителей и значения физических свойств воды при этих температурах:

Режим течения греющей воды турбулентный, и расчет числа Нуссельта и коэффициента теплоотдачи выполняем по формуле 9.9.

Число Нуссельта

144

Nuж1 0,021Re0ж,81 Prж0,143 Prж1Prc 0,25.

Так как температура стенки неизвестна, то в первом приближении задаемся значением

145