Основные принципы конструирования ТА

Основными требованиями при конструировании ТА являются получение наибольшего коэффициента теплопередачи k при наименьшем гидравлическом сопротивлении (т.е. достижение теплогидродинамического совершенства).

Повышение k за счёт увеличения скорости потока w, м/с приводит к возрастанию гидравлического сопротивления Δ p, Па и увеличению затрат энергии на перекачку.

Поэтому при конструировании ТА возникает задача увеличить k без значительного возрастания гидравлических потерь (т.е. за счёт интенсификации теплоотдачи).

1. Выбор схемы движения рабочих сред

Средняя разница температур теплоносителей наибольшая при чистом противотоке, поэтому в теплообменных аппаратах любой конструкции, работающих без изменения агрегатного состояния теплоносителей, для получения наименьшей поверхности теплообмена при прочих равных условиях необходимо применять принцип противоточного движения теплоносителей.

Если выдержать принцип чистого противотока невозможно по конструктивным или компоновочным соображениям, следует организовать перекрестный ток теплоносителей с соблюдением общего противоточного течения.

При изменении агрегатного состояния хотя бы одного из теплоносителей любые схемы движения принципиально равноценны.

2. Выбор схемы обтекания трубок

Основным критерием выбора схемы обтекания трубок является получение максимального коэффициента теплопередачи.

При наружном омывании пучка труб следует руководствоваться следующим правилом: при отношении > 58 выгоднее продольное, а при < 58 — поперечное омывание (см. с.22 [5]).

3. Выбор схемы распределения теплоносителей по полостям ТА

Вопрос о том, какой из теплоносителей направлять в трубы, а какой в межтрубное пространство, должен решаться с точки зрения не только интенсификации теплообмена, но и надежности работы ТА.

При этом следует учитывать:

1. Давление – в трубы целесообразно направлять теплоноситель под большим давлением, чем в межтрубном пространстве, чтобы не делать толстостенный кожух;

2. Отложения – в трубы целесообразно направлять более загрязненный теплоноситель, так как трубы очисть легче, чем межтрубное пространство;

3. Объёмный расход – ТН с большим объёмным расходом направляют в межтрубное пространство, это обеспечит меньшие гидравлические потери;

4. Агрессивность ТН - если ТН вызывает коррозию или механическое повреждение труб, то лучше его пропустить внутрь труб, так как экономичнее выполнить трубы из материала высокой стоимости, чем кожух;

5. Если ТН насыщенный пар, его следует направлять в межтрубное пространство. При этом интенсивность теплоотдачи будет наибольшей.

Не всегда возможно удовлетворить все вышеперечисленные требования. Поэтому для конкретного ТА следует руководствоваться теми требованиями, которые в данном случае более важны. Например, в маслоохладителях забортная вода подаётся внутрь трубок, т.к. забортная вода может быть загрязнённой. При этом давление масла делают несколько выше давления воды, чтобы в случае протечки вода не попала в масло.

4. Выбор скорости теплоносителя

Скорость w движения теплоносителя оказывает существенное влияние на теплоотдачу, потери давления, загрязняемость, износ и вибрацию труб.

Для повышения теплоотдачи и уменьшения загрязнений скорость нужно увеличивать, а для снижения потерь давления, уменьшения износа и предотвращения нежелательных последствий вибрации труб – уменьшать.

Теплоотдача существенно зависит от характера течения жидкости (см. Критерий Рей­нольдса Re). При развитом турбу­лентном течении (Re≥ 10000) теплоотдача значительно выше, чем при ламинарном течении (Re< 2200). Развитое турбулентное движение воды в трубах будет при скорости воды w ≥ 0, 555 м/с.

Для забортной воды не следует выбирать скорость w < 1, 6 м/с из-за возможных отложений.

Для пресной воды, как правило, w = 1 ÷ 2 м/с.

При поперечном омывании потоком теплоносителя одиночных труб возникают нестационарные гидродинамические силы, которые возбуждают вибрацию труб. Вибрация труб может быть обусловлена вихревым возбуждением при поперечном обтекании труб; возбуждением турбулентными пульсациями потока; гидроупругими и акустическими (в газообразных средах) возбуждениями.

Максимально допустимая скорость потока с точки зрения коррозионного и эрозионного износа зависит от используемого материала.

Максимально допустимые скорости при течении однородной жидкости в трубах из различных материалов (стр.38 т.2 [3]):

Углеродистая сталь - w_max, ≤ 3 м/с;

Легированная сталь - w_max, ≤ 5 м/с;

Титан - w_max, ≤ 6 м/с.

Для насыщенного пара - w_max, ≤ 50 м/с;

Для перегретого пара и газов - w_max, ≤ 75 м/с.

Это очень грубая оценка. w_max зависит от конкретной марки материала, свойств и параметров используемого ТН, режима использования ТА и пр.

Литература

1. Ермилов В.Г. Теплообменные аппараты и конденсационные установки. – Л.: Судостроение, 1974. – 224 с.

2. Михеев М. А., Михеева И. М. Основы теплопередачи. Изд. 2-е, стереотип. М.: «Энергия», 1977. - 344 с.

3. Справочник по теплообменникам. В 2-х т.: Пер. С англ./Под редакцией Б.С.Петухова и В.К.Шикова. – М.: Энергоатомиздат, 1987. – Т.1 560 с.; Т.2 352 с.

4. Российский морской регистр судоходства. Правила классификации и постройки морских судов НД № 2-020101-082, 2015г.

5. Берман С.С. Теплообменные аппараты и конденсационные устройства турбоустановок. Учебник. - М.: Машгиз, 1959. – 428 с.