Кожухотрубчатые теплообменники – наиболее распространенная конструкция теплообменной аппаратуры. В зависимости от назначения кожухотрубчатые аппараты могут быть теплообменниками, холодильниками, конденсаторами и испарителями; их изготовляют одно- и многоходовыми.
Конструктивное оформление машин и аппаратов, применяемых в химической и пищевой промышленности, неразрывно связано с их функциональным назначением и полностью определяется характером и технологическими параметрами протекающих в них процессов. При этом конструкция химического и пищевого оборудования должна не только отвечать требованиям самых совершенных технологий, но и обладать также прочностью, высокой надежностью, быть легкой, эстетичной и требовать как можно меньшего расхода дорогостоящих и дефицитных материалов. Для обеспечения сочетания прочности и надежности пищевой и химической аппаратуры с ее экономичностью и малой материалоемкостью на стадии проектирования необходимо провести подробный механический (прочностной) расчет каждого узла и детали вновь создаваемого оборудования.
Для подвода и отвода рабочих сред (теплоносителей) аппарат снабжен штуцерами. Один из теплоносителей в этих аппаратах движется по трубам, другой – в межтрубном пространстве, ограниченном кожухом и наружной поверхностью труб. Особенностью аппаратов типа Н является то, что трубы жестко соединены с трубными решетками, а решетки приварены к кожуху. В связи с этим исключена возможность взаимных перемещений труб и кожуха; поэтому аппараты этого типа называют еще теплообменниками жесткой конструкции. Трубы в кожухотрубчатых теплообменниках стараются разместить так, чтобы зазор между внутренней стенкой кожуха и поверхностью, огибающей пучок труб, был минимальным; в противном случае значительная часть теплоносителя может миновать основную поверхность теплообмена. Для уменьшения количества теплоносителя, проходящего между трубным пучком и кожухом, в этом пространстве устанавливают специальные заполнители.
|
|
Четырехходовой горизонтальный теплообменник типа Н состоит из цилиндрического сварного кожуха 3, распределительной камеры 2 и двух крышек 1 и 6. Трубный пучок образован трубами 4, закрепленными в двух трубных решетках 7. Трубные решетки приварены к кожуху. Крышки, распределительная камера и кожух соединены фланцами. В кожухе и распределительной камере выполнены штуцера для ввода и вывода теплоносителей из трубного (штуцера 8) и межтрубного пространств (штуцера 9). Перегородки 10 в распределительной камере образуют ходы теплоносителя по трубам. Поскольку интенсивность теплоотдачи при поперечном обтекании труб теплоносителем выше, чем при продольном, в межтрубном пространстве теплообменника установлены поперечные перегородки 11, обеспечивающие зигзагообразное по длине аппарата движение теплоносителя в межтрубном пространстве.
Технологический расчет
Теплотехнические свойства креплёного вина (при 600С):
Плотность: 
Теплоёмкость: 
Теплопроводность: 
Вязкость: 
Определение средней разности температур и средних температур потоков.
Заданием предусмотрено использование кожухотрубчатых теплообменников. Обычно в качестве холодильников используются многоходовые аппараты по трубному и межтрубному пространству, в которых движение теплоносителей соответствует схеме смешанного тока. Поэтому определяем поправку εΔt для четырехходового теплообменника по трубному пространству и имеющего поперечные перегородки в межтрубном пространстве, предполагая, что именно такой конструкции теплообменник подойдет для охлаждения смеси.
|
|
Средняя разность температур противотоков:
; (1) 
.
Рассчитаем коэффициенты R и P:
; (2)
.
; (3)
.
По графику определили значение поправочного коэффициента 
Находим среднюю температуру потоков:
; (4)
.
Поступающее в аппарат сырьё (креплёноё вино) меняет свою температуру на 
, а вода – на 
. Следовательно, в соответствии с правилом, средняя температура сырья составит:
;
а средняя температура воды:
.
Определение свойств индивидуальных веществ при средних температурах.
Таблица № 1
Свойства индивидуальных веществ при средних температурах
| Свойство | Креплёное вино | Вода |
Средняя температура, 
| ||
Плотность, 
| ||
Теплоёмкость, 
| ||
Вязкость, 
| 1,3  10-3
| 1,155 10-3
|
Теплопроводность, 
| 0,418 | 0,587 |
Определение тепловой нагрузки, расхода хладагента, расчёт ориентировочной поверхности теплообмена, выбор типа и конструкции теплообменника. Так как в начале расчёта коэффициент теплопередачи К не известен, то для нахождения поверхности теплопередачи F принимаем его ориентировочное значение 
, которое выбирается на основе опыта эксплуатации теплообменного оборудования.
|
|
Определим тепловую нагрузку необходимую для охлаждения сырья до необходимой температуры. Так как в заданном нам процессе не происходит изменение агрегатного состояния ни вещества теплоносителя, ни вещества хладоагента, то тепловая нагрузка находится по формуле:
; (5)
Определим расход хладагента (воды):
; (6)
.
Вычислим ориентировочное значение требуемой поверхности теплопередачи Fор:
; (7)
.
Так как нам выгодно снижение температуры креплёного вина, направим горячий поток в межтрубное пространство, а хладагент – в трубное. В этом случае будут потери теплоты в окружающую среду через кожух теплообменника.
Примем размер труб трубного пучка 
мм. Зададимся величиной критерия Рейнольдса для трубного пространства Reтр=10000. Найдём число труб n, которое обеспечит развитое турбулентное движение хладагента.
; (8)
.
Теперь, ориентируясь на величину поверхности теплопередачи Fор и количеством труб, выбираем нормализованный кожухотрубчатый теплообменник.
Таблица № 2
Характеристики нормализованного кожухотрубчатого теплообменника
| Параметр | Значение |
| Поверхность теплопередачи Fт, м2 | |
| Диаметр кожуха внутренний D, мм | |
| Общее число труб n, шт | |
| Длина труб L, м | 4,0 |
| Площадь трубного пространства Sтр, м2 | 0,055 |
| Площадь межтрубного пространства Sмтр, м2 | 0,106 |
| Число рядов труб по вертикали nр | |
| Число ходов z |
Расчёт коэффициентов теплоотдачи для трубного и межтрубного пространств. Расчёт коэффициента теплоотдачи для межтрубного пространства. Определяем объёмный расход креплёного вина:
; (9)
.
Находим скорость потока в межтрубном пространстве:
; (10)
.
Находим значение критерия Рейнольдса Re1 для межтрубного пространства:
; (11)
.
Вычисляем критерий Прандтля:
; (12)
.
Определяем критерий Нуссельта. Примем 
, а значение скобки
.
; (13)
.
Теперь находим коэффициент теплоотдачи для межтрубного пространства:
; (14)
.
Расчёт коэффициента теплоотдачи для трубного пространства.
Определяем объёмный расход воды:
; (15)
.
Находим скорость потока в межтрубном пространстве:
; (16)
.
Находим значение критерия Рейнольдса Re1 для трубного пространства:
; (17)
.
Вычисляем критерий Прандтля:
; (18)
.
Определяем критерий Нуссельта. Примем 
, а значение скобки
.
; (19)
.
Теперь находим коэффициент теплоотдачи для трубного пространства:
; (20)
.
Определяем расчётное значение коэффициента теплоотдачи Кр
Теплообменник будет изготовлен из обычной углеродистой стали с коэффициентом теплопроводности λст=46,5 Вт/(м∙К). Учтем также появление в процессе эксплуатации аппарата загрязнений как со стороны дистиллята rзаг.1 = 1/5800 Вт/(м2∙К), так и со стороны охлаждающей воды rзаг.2 = 1/1500 Вт/(м2∙К).
Тогда коэффициент теплопередачи будет равен:
; (21)
.
Определение температур стенок.
Определение температуры стенки для горячего потока tст1:
; (22)
.
Определение температуры стенки для холодного потока tст2:
; (23)
.
Расчёт критерия Прандтля для горячего и холодного потоков с использованием физико-химических свойств, взятых при температурах стенки tст1 и tст2.
Таблица № 3
Свойства индивидуальных веществ при температурах стенки tст1 и tст2
| Свойство | Креплёное вино | Вода |
Средняя температура, 
| ||
Плотность, 
| ||
Теплоёмкость, 
| ||
Вязкость, 
| 1,8  10-3
| 1,0 10-3
|
Теплопроводность, 
| 0,410 | 0,599 |
Критерий Прандтля для горячего потока (креплёного вина):
; (24)
.
Критерий Прандтля для холодного потока (воды):
; (25)
.
Вычислим значение скобок в формулах (13) и (19).
Для горячего потока: 
.
Для холодного потока: 
.
Определение расчётной поверхности теплопередачи и её запаса
Определим расчётную поверхность теплопередачи
; (26)
.
Теперь определим запас поверхности теплопередачи
; (27)
.
Гидравлический расчет
Выбор диаметра штуцеров для трубного и межтрубного пространств
Для расчета диаметров штуцеров необходимо принять значение допустимой скорости в штуцерах, которая зависит от того, является трубопровод напорным или самотечным. Уходящий с верха колонны пар конденсируется и самотеком поступает в емкость. Из этой емкости жидкость насосом по одному трубопроводу направляется на верх колонны для создания орошения, а по второму (нашему) прокачивается через холодильник и далее на склад. Таким образом, скорость во всех штуцерах берем как для напорных трубопроводов wдоп = 1,5 м/с.
Диаметр штуцеров для трубного пространства
; (28)
.
Диаметр штуцеров для межтрубного пространства
; (29)
.
По ГОСТу выбираем стандартный условный диаметр 
:
;
; 
.
Перед проведением гидравлического расчёта уточняем скорость потока в штуцере.
Скорость потока для трубного пространства
; (30)
.
Скорость потока для межтрубного пространства
; (31)
.
Определим коэффициент трения 
для шероховатых труб:
; (32)
.
Отсюда получаем:
Вычислим гидравлическое сопротивление трубного пространства.
Под термином «гидравлическое сопротивление» принято понимать величину разности статических давлений на входе потока в рассматриваемый аппарат и на выходе из него в зависимости от средней скорости потока, свойств веществ потока, геометрических размеров и конфигурации аппарата, через который протекает поток.
; (33)
.
Вычислим гидравлическое сопротивление межтрубного пространства:
; (34)
