Тепловой и конструктивный расчет витого двухпоточного теплообменного аппарата: Методические указания к контрольной работе по курсу «Тепломассообменные аппараты низкотемпературных установок и кондиционирования»

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования

Санкт-Петербургский  государственный  университет
 низкотемпературных  и  пищевых  технологий

Кафедра криогенной техники

ТЕПЛОВОЙ  И  КОНСТРУКТИВНЫЙ
РАСЧЕТ  ВИТОГО  ДВУХПОТОЧНОГО
ТЕПЛООБМЕННОГО  АППАРАТА
 

Методические указания
к контрольной работе по курсу
«Тепломассообменные аппараты
низкотемпературных установок
и кондиционирования»
для студентов специальности 070200
факультета заочного обучения и экстерната

Санкт-Петербург  2005

УДК 621.59

Иванов В.И., Холодковский С.В.  Тепловой и конструктивный расчет витого двухпоточного теплообменного аппарата: Метод. указания к конт-   рольной работе по курсу «Тепломассообменные аппараты низкотемператур-ных установок и кондиционирования» для студентов спец. 070200 фа-культета заочного обучения и экстерната. – СПб.: СПбГУНиПТ, 2005. – 14 с.

В издании отражены особенности конструкции витых теплообменных аппаратов и дана методика их теплового и конструктивного расчета. Приведены исходные варианты для выполнения контрольной работы в зависимости от шифра студента.

Рецензент

Доктор техн. наук, проф. А.Я. Эглит

Рекомендованы к изданию методической комиссией факультета заочного обучения и экстерната.

Ó Санкт-Петербургский государственный

университет низкотемпературных

и пищевых  технологий, 2005

Введение

Витые трубчатые теплообменные аппараты получили наибольшее распространение в криогенных системах в силу высокой компактности и эффективности. При расчете таких аппаратов приходится приводить в соответствие два противоречивых фактора: с одной стороны, он должен иметь высокую компактность, которая зависит от интенсивности теплообмена  и, следовательно, от скорости потоков, а с другой стороны, при высоких скоростях растет гидравлическое сопротивление потоков, которое не должно выходить за определенные пределы. Найти компромиссный вариант позволяет рекомендованный диапазон массовых (или линейных) скоростей потоков, зависящий от рода теплоносителя и от давления.

Решить эту задачу наилучшим способом позволяет ЭВМ, так как в этом случае существенно уменьшается трудоемкость расчета. Это, в свою очередь, дает возможность просчитать несколько вариантов, изменяя исходные данные (диаметр труб, скорость потоков и т. п.), и затем выбрать из них наиболее оптимальный. В некоторых случаях исходя из конструктивных соображений требуется корректировка расчета.

Особенности  конструкции  витого
теплообменного  аппарата

Витой теплообменный аппарат представляет собой теплопередающую поверхность в виде многослойной и многозаходной спирали из трубок, намотанных на сердечник. По трубкам течет газ высокого давления (прямой поток). Его охлаждение осуществляется обратным потоком низкого давления, который движется в межтрубном пространстве в обратном направлении (противоток). Между слоями намотки должен существовать зазор, обеспечивающий свободное сечение для движения обратного потока. Очевидно, что от величины этого свободного сечения зависит скорость обратного потока и интенсивность теплообмена. Скорость прямого потока определяется диаметром и числом трубок.

Для создания зазора используются прокладки (тонкие полоски листового материала), либо зазор обеспечивается за счет наружного оребрения труб, что, в свою очередь, повышает интенсивность теплоотдачи обратного потока и уменьшает габариты аппарата. Различные типы намотки описаны в [1] и [2].

К последнему слою намотки плотно прилегает цилиндрический корпус теплообменника, называемый обечайкой. Концы корпуса с обеих сторон завершаются эллиптическими днищами. Между намоткой теплообменника и днищами должен быть предусмотрен сводный объем для размещения коллекторов, служащих для объединения в общий поток сжатого газа, идущего по трубкам, и его последующего вывода (или ввода) из  теплообменника. В зависимости от числа трубок используются два типа коллекторов: первый в виде замкнутого пустотелого кольца (торондальная форма), а второй в виде трубной решетки  (диск со сквозными отверстиями по числу трубок). Первый тип проще в изготовлении, менее металлоемок и дешевле. Обычно он имеет в своем составе не более 50–60 трубок.  Для большего числа трубок удобнее использовать второй тип.

Более детально с конструкциями теплообменников можно ознакомиться по литературе [1; 2; 3].

Последовательность  теплового
и  конструктивного  расчета

Рассмотрим один из наиболее широко используемых вариантов – трубки, оребренные с наружной стороны проволкой. Это позволяет увеличить площадь теплообмена и компенсировать низкие значения коэффициента теплоотдачи обратного потока.

1. Исходные данные:*

а) тип теплоносителя (воздух, азот, водород, гелий, метан);

б) объемные расходы прямого (V_пр) и обратного (V_об) потоков м³/ч при нормальных условиях;

в) давление прямого (p_пр) и обратного (p_об) потоков, МПа;

г) температуры потоков на входе в аппарат (индексы при температурах соответствуют обозначениям точек на рисунке) Т₁, Т₃, К.