Какой … теплообменник лучше выбрать

corrugated-tubes-photo-hrs

Теплообменники – это хорошо зарекомендовавшее себя оборудование для тепловой обработки различных жидкостей. Они применяются для широкого круга задач, таких как: пастеризация, стерилизация, нагрев или охлаждение.

Перед проектированием теплообменника встают два основных вопроса:
Первый – выбор наиболее оптимального типа теплообменника: пластинчатый, трубчатый, трубчатый со спиральной накаткой, скребковый и др. На выбор влияют различные факторы, в том числе свойства нагреваемого или охлаждаемого продукта, цель процесса (варка, пастеризация и т.д.), ограничения по работе теплообменника, включая экологические.
Второе – размеры теплообменника.  Необходимо, чтобы поставленный теплообменник был правильно рассчитан и работал.

 

ТИПЫ ТЕПЛООБМЕННИКОВ

Существуют три основных типа теплообменников:

  1. Пластинчатые теплообменники:
    Данный тип теплообменников состоит из тонких гофрированных пластин, закрепленных на раме. Они собраны таким образом, чтобы создать два параллельных канала — по одному для каждой среды, где они протекают. Они идеально подходят для задач, где давления рабочих сред сравнительно невелики, отсутствуют проблемы с загрязнением поверхностей теплообмена, а используемые теплоносители имеют низкую вязкость и в них отсутствуют частицы. Пластинчатые теплообменники также применяются в теплообменных процессах, где существует маленькая разница между температурами сред.Эффективность данного типа теплообменников может быть увеличена за счет конструктивных улучшений, например, использование теплопередающих пластин с рисунком «елочка», что обеспечивает высокий уровень турбулентности, а противоток между нагреваемой и греющей средой способствует увеличению температурного напора и, как следствие, интенсивности теплообмена.
  2. Трубчатые теплообменники со спиральной накаткой:
    Трубчатые теплообменники состоят из одной или нескольких внутренних труб, находящимися в корпусе(кожухе). Обычно, продукт протекает по внутренним трубам, а второй теплоноситель в межтрубном пространстве (пространство, образующееся между кожухом и внутренними трубками). Применение технологии спиральной накатки труб позволяет существенно увеличить интенсивность теплообмена по сравнению со стандартными гладкотрубными теплообменниками. Кроме того, значительно снижается загрязняемость внутренних поверхностей теплообмена. Поэтому становится возможным использовать более компактные и экономичные теплообменники. Различные конструкции трубчатых теплообменников применяются в конкретных задачах для различных отраслей промышленности, и обычно изготавливаются из нержавеющей стали и применяются в пищевой, фармацевтической и химической отраслях промышленности.
  3. Скребковые теплообменники:
    Скребковые теплообменники используются в различных теплобменных процессах, где загрязнение поверхностей является серьёзной проблемой или используются высоковязкие жидкости с низким коэффициентом теплопередачи.Основной причиной загрязения является осаждение твердых частиц на поверхностях труб теплообменника, образуя слои, которые играют роль теплоизоляции тем самым снижая КПД теплообменника. Другим видом загрязнения является кристаллизация, когда в результате охлаждения или увеличения концентрации продукта происходит фазовый переход с образованием множества кристаллов, которые оседают на стенках теплообменника. Скребки, расположенные внутри каждой внутренней трубки данного типа теплообменников, перемещаются и непрерывно очищают теплообменную поверхность, тем самым поддерживая теплообмен на высоком уровне.
    В основном, высоковязкие среды обладают низким коэффициетом теплопередачи, поэтому для их нагрева/охлаждения требуются большие поверхности теплообмена. Но скребковый теплообменник позволяет непрерывно перемешивать продукт, а значит большее количество продукта соприкасается с теплообменной поверхностью. Это существенно увеличивает интенсивность теплообмена и уменьшает необходимую площадь теплообмена.

 

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТЕПЛООБМЕННИКА

После выбора типа теплообменника, инженеру-проектировщику необходимо быть уверенным, что поставляемый теплообменник будет удовлетворять требованиям задания на разработку. Другими словами, теплообменник должен обеспечить необходимую тепловую нагрузку при термической обработке конкретного продукта.

Можно написать целую книгу о теплообмене, что многие люди и сделали. Однако, основная цель анализа полученных расчетов заключается в том, чтобы убедиться в достаточности площади теплообмена для работы с указанными средами при заданных расходах и температурах на входе и выходе. Большинство вычислений также смогут учитывать такие особенности, как, например, работает ли теплообменник при противоточном или параллельном движении теплоносителей.

Существует основное уравнение теплопередачи, которое широко применяется для описывания процесса теплообмена::

 

Где:

Q — тепловой поток (количество теплоты), переданное в процессе теплопередачи, Вт
U — коэффициент теплопередачи, Вт / м². ° K. Зависит от свойств жидкостей и материала теплообменника
A — поверхность теплообмена, м²
  — Средне логарифмический температурный напор, рассчитанный исходя из температур на входе и выходе из теплообменника обоих сред.

Значение U вычисляется по достаточно сложной формуле:

Где:

h1 и h2  — коэффициенты теплоотдачи внутри и снаружи труб, Вт/м2*ᵒК
Rw — термическое сопротивление стенки, м2*ᵒК/Вт
Rf1 и Rf2 — коэффициенты загрязнения, м2*ᵒК/Вт.

Коэффициенты загрязнения Rf1 и Rf2, как правило, задаются клиентом, а на значения h и Rw может влиять инженер при подборе размера, толщины трубок, а также материалов трубчатого теплообменника. Значения h в значительной степени зависят от природы жидкостей, а также от геометрии и поверхностей теплообмена, с которыми они контактируют. Важно отметить, что на конечный расчет в значительно степени влияет пограничный слой – слой жидкости, находящийся в непосредственном контакте с теплообменной поверхностью.

Движущей силой теплопередачи является разность температур между рабочими средами (теплоносителями). Температуры двух сред меняются по мере прохождения через трубчатый теплообменник.

 

ЛАМИНАРНЫЙ И ТУРБУЛЕНТНЫЙ РЕЖИМ ТЕЧЕНИЯ

Однако, представленные выше формулы подходят для расчета простых жидкостей в классических теплообменниках с гладкими трубками. При работе со средами содержащими частицы, волокна, а также вязкими и неньютоновскими жидкостями все большее признание получают трубчатые теплообменники со спиральной накаткой труб.

Одним из важнейших параметров, влияющих на теплопередачу, является сопротивление тепловому потоку различных слоев, разделяющих два теплоносителя. Суммарное сопротивление тепловому потоку в теплообменнике можно представить, как суммарное сопротивление 5 слоев:

  1. Внутренний «пограничный слой», формируется протекающей внутри трубок жидкостью и находящейся в непосредственном контакте с теплообменной поверхностью.
  2. Слой загрязнения, образующийся в результате осаждения твердых/полутвердых частиц на внутренней поверхности трубок (может как присутствовать, так и нет).
  3. Толщина стенки и материал внутренних трубок будет определять термическое сопротивление через сами трубки.
  4. Слой загрязнения, образующийся в результате осаждения твердых/полутвердых частиц на наружной поверхности трубок (может как присутствовать, так и нет).
  5. Наружный «пограничный слой», формирующийся протекающей в межтрубном пространстве жидкостью, и непосредственно омывающий внешнюю поверхность трубк теплообменника.

Значения [2] и [4], обычно, предоставляются заказчиком на основе его опыта работы с конкретными средами, а инженер-проектировщик подбирает размеры, толщины и материалы труб в соответствии с поставленной задачей. Сопротивление тепловому потоку [1] и [5] (коэффициенты теплоотдачи) сильно зависят от природы жидкостей, а также, в решающей степени, от геометрии поверхностей теплообмена, с которыми они контактируют.

Один из способов борьбы с образованием слоев загрязнения – это увеличение скорости потока жидкости в теплообменнике, что создает турбулентность и, пограничный слой срывается с поверхностей теплообменника. Это точка, в которой ламинарный режим течения (жидкость протекает спокойно, скорости в ядре потока выше, чем во внешних слоях жидкости) становится турбулентным режимом течения (жидкость постоянно перемешивается)

Скорость, при которой течение становится турбулентным зависит от множества факторов. Для ее количественной оценки используется безразмерный критерий подобия, называемый числом Рейнольдса.

 

ЧИСЛО РЕЙНОЛЬДСА

Число Рейнольдса обозначается буквами Re и представляет собой

Reynolds number RU

 

Число Рейнольдса расчитывается следующим образом:

Где:

𝜌 — плотность среды,
V — скорость среды,
L — гидравлический диаметр трубы,
µ — динамическая вязкость среды.

Числа Рейнольдса менее 2000 характеризуют ламинарный режим течения, а значения выше 10.000 – турбулентное течение. Между этими двумя значениями находится область неопределенности, называемая переходная зона, в которой может быть, как турбулентное, так и ламинарное течение в зависимости от ряда непредсказуемых факторов. На практике, инженеры стараются выполнить расчет вне пределах переходной зоны. Другим вариантом являются использование спиральной накатки в теплообменниках, что позволяет привнести турбулентность в переходную зону, а также увеличить ее в турбулентном режиме течения. Это одна из основных причин, по которым мы используем трубы со спиральной накаткой в своих теплообменниках.

 

Ламинарное Течение

Laminar Flow Reynolds Graphs - HRS Heat Exchangers

Синяя линия на графике иллюстрирует поведение жидкости в гладких трубах, а красная – в трубах со спиральной накаткой. Как видно из графика, при числах Рейнольдса до 2000 не наблюдается заметного эффекта от использования труб со спирально накаткой, вместо гладких труб.

 

Переходная зона:

При значениях числа Рейнольдса от 2000 до 10000 мы имеем неоднозначную область, которая называется переходной зоной, где турбулентное течение может как возникать, так и затухать в зависимости от множества непредсказуемых факторов. Поскольку течение в этой зоне трудно определить, то инженеры-проектировщики стараются, по возможности, уйти от расчетов теплообменников в данных режимах.

Transitional Flow reynolds Graph - HRS Heat Exchangers

Как мы видим из графика, трубы со спиральной накаткой показывают свою высокую эффективность при числах Рейнольдса превышающих 2000, но все еще ниже уровня 10000, необходимого для турбулентного течения в гладкой трубе.

 

Турбулентный режим течения:

При числах Рейнольдса больше 10000 происходит интенсивный отрыв потока от стенок труб, что приводит к сильному перемешиванию пограничного слоя с ядром потока. Это наиболее эффективная область работы трубчатых теплообменников

Turbulent Flow Reynolds Graph - HRS Heat Exchangers

Представленный график показывает, что трубы со спиральной накаткой существенно увеличивают интенсивность теплообмена при числах Рейнольдса более 10000 по сравнению с эквивалентными гладкими трубками теплообменника.

Можно сделать следующий вывод: трубы со спиральной накаткой существенно увеличивают интенсивность теплообмена в переходном и турбулентном режимах течения. В некоторых случаях можно достичь увеличения теплопередачи в 2 и более раз (обратите внимание, что ось Y экспоненциальная на графике). Это означает, что мы сокращаем требуемую поверхность теплообмена на 50%, а значит и металлоёмкость теплообменника и следовательно значительно уменьшается стоимость оборудования.

 

КОЭФФИЦИЕНТ ЗАГРЯЗНЕНИЯ

Коэффициент загрязнения, который задается при проектировании теплообменник, обычно сообщается клиентом на основе их опыта эксплуатации установок или работы с данными средами. Если пренебречь коэффициентом загрязнения, то это может негативно сказаться на производительности теплообменника в процессе эксплуатации, даже при его тщательном проектировании. Коэффициент загрязнения представляет собой теоретическое сопротивление тепловому потоку, возникающее в результате загрязнения поверхности теплообмена, но значения часто завышаются клиентом в попытке уменьшить частоту очистки теплообменника. В действительности, если коэффициент выбран неправильно, то количесто остановок оборудования на очистку может значительно возрасти.

Причины загрязнения зависят от условий эксплуатации теплообменников, но могут быть разделены на 4 основные группы:

Химические загрязнения:
Причиной служат химические соединения в жидкости, образующие осадок на поверхности трубок теплообменников. Наиболее распространённым примером является накипь в чайнике или котле, обусловленное образованием солей на нагревательном элементе, поскольку растворимость солей снижается с повышением температуры. Этот процесс не контролируется инженером-проектировщиком, но может быть сведен к минимуму путем тщательного контроля температуры стенки труб, непосредственно находящейся в контакте с жидкостью. Если накипь уже образовалась, то она должна быть удалена либо путем химической обработки, либо механическим путем (проволочные щетки, специальные сверла для удаления накипи или струя воды под высоким давлением).

Биологическое загрязнение:
Обусловлено ростом микроорганизмов в жидкости, которые осаждаются на поверхности теплообмена. Опять же, этот процесс не может контролироваться инженером-проектировщиком, но на него может повлиять выбор материалов. Поскольку некоторые, цветные металлы, особенно латунь, ядовиты для некоторых организмов и успешно используются для минимизации данного типа загрязнений. Когда происходит значительно обрастание поверхностей теплообмена, то очистка происходит либо химическим, либо механическим путем.

Отложение осадка:
Происходит когда частицы, содержащиеся в жидкости, оседают на поверхности теплообмена в результате падения скорости жидкости ниже критического уровня. В значительной степени это может контролироваться инженером-проектировщиком, так как критическая скорость течения легко рассчитывается для любой жидкости с содержанием частиц, поэтому при проектировании конструкции теплообменника обеспечивается минимальная скорость, которая выше критического уровня. Вертикальное расположение теплообменника при монтаже тоже минимизирует эффект загрязнения, т.к. за счет гравитационной силы частицы будут стремиться вниз даже при малых скоростях течения сред. Теплообменники очищаются механическим путем при данном типе загрязнений.

Коррозийное загрязнение:
Причиной являются продукты процесса коррозии, накапливающиеся на поверхностях труб, образуя дополнительный слой, оказывающий термическое сопротивление и негативно влияя на производительность теплообменника. Благодаря тщательному подбору материалов, используемых при изготовлении теплообменника, эффект данного загрязнения может быть сведен к минимуму. Мы имеет широкий ассортимент коррозионно-стойких материалов из нержавеющей стали и других сплавов на основе никеля.

 

ПРОЦЕСС ПРОЕКТИРОВАНИЯ

После получения всех необходимых данных, можно начинать проектировать теплообменник, т.к. теперь можно правильно подобрать тип теплообменника, чтобы он отвечал всем требованиям заказчика.

Тепловой баланс:
После выбора типа теплообменника, проверяется тепловой баланс на основе известных свойств жидкостей, которые необходимо нагреть или охладить. Обычно заказчик предоставляет данные по расходу рабочей среды, желаемую температуру на входе и выходе. Расход и температуры определяют тип сервисной среды, которая будет использоваться для нагрева или охлаждения рабочей жидкости в теплообменнике. Клиент обычно предоставляет значения двух трех параметром сервисной среды: расход, температуру на входе или температуру на выход. Если два их этих параметров известны, то третий параметр определяется из теплового баланса.

Определение геометрии теплообменника:
На этом этапе инженер-проектировщик подбирает оптимальную геометрию теплообменника. В первую очередь определяется диаметр кожуха и трубный пучок (количество, длина, диаметр и толщина внутренних трубок), который размещается внутри теплообменника. Затем выбирается тип и размер присоединений со стороны кожуха и трубного пространства. На этом этапе также выбирается материал для изготовления конкретного теплообменника. Стандартные модели теплообменников HRS Heat Exchanger изготавливаются из нержавеющей стали AISI 304 и AISI 316L, но также могут применяться и другие сплавы при необходимости.

Тепловой расчет теплообменника:
Здесь инженер-проектировщик выполняет тепловой расчет. Цель расчета сводится к определению коэффициентов теплоотдачи на стороне кожуха и внутренних труб. Эти коэффициенты зависят от перечисленных выше теплофизических свойств продукта и скорости сред. Зависимость между параметрами и коэффициентами теплоотдачи определяется по математической формуле, различной для конкретной геометрии (т. е. типа используемого теплообменника: трубчатый с гладкими трубами, пластинчатый, трубчатый со спиральной накаткой). HRS Heat Exchangers использует свои специальные формулы для расчета трубчатых теплообменников со спиральной накаткой труб.

При известных коэффициентах теплоотдачи на стороне трубки и межтрубного пространства можно рассчитать общий коэффициент теплопередачи. Зная это значение, можно определить общую площадь теплообмена по формуле, приведенной ранее:

Другим важным параметром являются потери по давлению, которые рассчитывается как для трубного, так и для межтрубного пространств. Потери давления зависят от числа Рейнольдса, режима течения (турбулентное или ламинарное), шероховатости поверхностей кожуха и внутренних труб. Аналогично, если полученные потери по давлению превышают заданный максимум, то необходимо подобрать новую геометрию теплообменника, чтобы обеспечить более низкие потери по давлению.

Mechanical Design Calculation:
На данном этапе выполняется прочностной расчет по полученной геометрии, что необходимо для проверки конструкции теплообменника при работе с расчетными температурами и давлениями. Производятся следующие расчеты:

  • Расчет толщины стенки корпуса.
  • Расчет толщины стенки патрубков.
  • Расчет толщины стенки внутренних труб.
  • Расчет размеров сильфонного компенсатора (компенсирует разницу линейных расширений между кожухом и внутренними трубка теплообменника).
  • Расчет толщины трубной решетки.

Результаты данных расчетов могут не совпасть с толщинами стенок и других параметров, выбранных ранее. В этом случае необходимо переопределить геометрию и повторить предыдущие этапы разработки трубчатого теплообменника.

После определения окончательной конструкции могут быть подготовлены рабочие чертежи. На них представлены все необходимые размеры, а также отображены все элементы теплообменника, включая: корпус, трубы, компенсатор и т. д.

Большая часть широко используемой литературы для проектирования и расчета теплообменников может быть написана 80 лет назад и не всегда отражает современные разработки. В то время как существует научная литература о поведении жидкостей в гладких трубках и трубах со спиральной накаткой, то опубликованных исследований по поведению сред в скребковых теплообменниках очень мало. Поэтому компания HRS постоянно анализирует и использует самые актуальные данные, чтобы улучшать свои программы, используемые для расчета теплообменников.

© 2017 HRS Heat Exchangers. All Rights Reserved

Продолжая пользоваться сайтом, вы соглашаетесь с использованием cookies-файлов. Подробнее. Подробнее

Параметры cookies-файлов на этом сайте установлены, как "разрешить cookies ", чтобы обеспечить Вам лучший просмотр сайта. Если вы будете продолжать использовать этот веб-сайт без изменения настроек cookies-файлов или нажмете кнопку "Принять", то вы соглашаетесь с этим.

Закрыть