Кожухотрубные теплообменники могут быть с неподвижной трубной ре­шеткой или с температурным компенсатором на кожухе,  вертикальные  или горизонтальные. В  соответствии с ГОСТ 15121-79,  теплообменники могут быть двух- четырех- и шестиходовыми по трубному пространству.

Греющие трубы в трубных решетках размещают несколькими способами: по сторонам и вершинам правильных шестиугольников(в шахматном порядке), по сторонам и вершинам квадратов (коридорное) и по концентрическим окружностям. Такие способы размещения обеспечивают создание компактной конструкции теплообменника.

Из-за маленькой скорости движения теплоносителей одноходовые теплообменники характеризуются низкими коэффициентами теплоотдачи. С целью интенсификации теплообмена в кожухотрубных теплообменниках пучок труб секционируют, разделяют на несколько секций (ходов), по которым теплоноситель проходит последовательно. Разбивка труб на ряд ходов достигается с помощью перегородок в верхнем и нижнем днищах. Так же секционировать можно и межтрубное пространство за счет установки направляющих перегородок. Благодаря всем этим способам достигается повышение скорости теплоносителя, что приводит к увеличению коэффициента теплоотдачи в трубном пространстве.

При проектировании кожухотрубных теплообменников теплоноситель, который наиболее загрязняет поверхность теплообмена, направляют в трубное пространство, которое легче очищать.

1.2 Ообщие сведения о развальцовке труб теплообменника

Наиболее распространенный способ крепления труб в решетке — развальцовка. Трубы вставляют в отверстия решетки с некоторым зазором, а затем обкатывают изнутри специальным инструментом, снабженным роликами (вальцовкой). При этом в стенках трубы создаются остаточные пластические деформации, а в трубной решетке — упругие деформации, благодаря чему материал решетки после развальцовки плотно сжимает концы труб. Однако при этом материал труб подвергается наклепу (металл упрочняется с частичной потерей пластичности), что может привести к растрескиванию труб. С уменьшением начального зазора между трубой и отверстием в решетке наклеп уменьшается, поэтому обычно принимают зазор 0,25 мм. Кроме этого для обеспечения качественной развальцовки и возможности замены труб необходимо, чтобы твердость материала трубной решетки превышала твердость материала труб.

Развальцовочное соединение должно быть прочным и плотным (герметичным). Прочность соединения оценивают усилием вырыва трубы из гнезда, плотность — максимальным давлением среды, при котором соединение герметично.Развальцовка является наиболее распространенным способом получения прочных и герметичных соединений труб с трубными решетками (коллекторами) теплообменных аппаратов.

Для получения надежного соединения трубы с трубной решеткой (коллектором) необходимо выполнить следующее условие:

D' = Dо + + KxS,

где D'- расчетный внутренний диаметр трубы после развальцовки
Dо- внутренний диаметр трубы до развальцовки
- диаметральный зазор между трубой и трубной решеткой

    (= Dотв - Dн)

    S-толщина стенки трубы

    К- коэффициент, учитывающий тип теплообменного аппарата:
          К = 0,1 - для конденсаторов, маслоохладителей, водоподогревателей, испарителей, бойлеров и т.п.

                      К = 0,2 - для котлов

Для того, чтобы правильно выбрать инструмент для развальцовки труб в трубных решетках, необходимо располагать следующей информацией:

·                     материал трубной решетки;

·                     диаметр отверстий трубной решетки “Dотв” (см. рис. 3);

·                     толщина трубной решетки “H” (см. рис. 3);

·                     шаг перфорации (расстояние между центрами соседних отверстий) “t” (см. рис. 10);

·                     наличие в отверстиях трубной решетки уплотнительного рельефа, формируемого шариковым раскатником (см. рис. 4);

·                     наличие в трубной решетки канавок (см. рис. 5);

·                     наличие двойных трубных решеток, их толщины “Н1” и “Н2” и расстояние “B” между трубными решетками (см. рис.9);

·                     материал трубы;

·                     наружный диаметр трубы "Dн" (см. рис.6);

·                     толщина стенки трубы "S" (см. рис.6);

·                     высота выступания труб "h" над плоскостью трубной решетки (см. рис.6);

·                     глубина развальцовки труб "L" (см. рис.6);

·                     наличие отбуртовки конца трубы (см. рис.8);

·                     наличие сварки в соединении трубы с трубной решеткой (см. рис.7)

                              2 Расчетно-конструкторская часть.

2.1 Тепловой расчет аппарата.

Исходные данные. Проектируемый кожухотрубный теплообменник предназначен для пастеризации продукта от начальной (на входе в аппарат) температуры t1=12 0С, до конечной (на выходе из аппарата) t2=70 0С. Производительность аппарата G=2,8. Продукт попадает в трубное пространство принудительно с помощью насоса и двигается по трубам со скоростью w=2,0 . Греющий пар подводится в меж трубное пространство с температурой tп=140 0С. Теплообменные трубы Æ30´2,5 мм (внешний диаметр d=30 мм, толщина стенки dст=2,5 мм), длина труб в пучке lТ=2,5 г. Материал труб — медь, толщина слоя загрязнения на поверхности трубок s=0,001 г, абсолютная шероховатость внутренней стенки трубки D=0,01. Коэффициент полезного действия (к.п.д) насоса =0,8.

Средняя разность температур теплоносителя и продукта , 0С (по формуле (1.16)):

       ,

Dtб=tп-t1=140-12=128 0С,                                                          (2.1)

Dtм=tп-t2=140-70=70 0С.                                                    (2.2)

Так как =1,829<2, то средний температурный напор можно находить с определенной точностью как среднеарифметическую разность (соответственно формуле (1.17)):

0С.

Средняя температура продукта tср, 0С:

tср=tп-Dtср=140-99=41 0С.                                                           (2.3)

Разность температур теплоносителя и стенки Dt1, 0С:

Dt1=(R1/R)Dtср=(0,6)×99=59,4 0С                         (2.4) [1] Разность температур стенки и продукта Dt2, 0С:

0С.      (2.5)

Температура стенки со стороны теплоносителя Dtст1, 0С:

tст1=tп-Dt1=140-59,4=80,6 0С.                                        (2.6)

Температура стенки со стороны продукта Dtст2, 0С:

tст2=tср+Dt2=41+33,66=74,66 0С.                                                 (2.7)

Температура пленки конденсата теплоносителя tпл, 0С:

tпл=0,5(tп+tст1)=0,5(140+80,6) =110,3 0С.                   (2.8)

Теплофизические свойства пленки конденсата (при температуре пленки tпл=110,3 0С) (соответственно [6]): динамический коэффициент вязкости жидкости mпл=0,228×10-3 (Па×с), удельная теплоемкость cпл=4,2×103 , коэффициент теплопроводности lпл=0,682  и плотность rпл=950 . Удельная теплота конденсации пара (при температуре tп=140 0С) r=2150×103  (соответственно [6]).

Коэффициент теплоотдачи от греющего пара к стенкам теплообменных трубок a1, :

                                          (2.9)

.

Теплофизические свойства продукта, который нагревается (при температуре tср=41 0С) (соответственно [6]): динамический коэффициент вязкости mпр=0,719×10-3 (Па×с), коэффициент объемного расширения bпр=0,397×10-3 , удельная теплоемкость cпр=4159 , коэффициент теплопроводности lпр=0,634  и плотность rпр=991  .

Теплофизические свойства пристеночного слоя продукта (при температуре tст2=74,66 0С) (соответственно [6]): коэффициент динамической  вязкости mст=0,4×10-3 (Па×с), удельная теплоемкость cст=4225 , коэффициент теплопроводности lст=0,669  и плотность rст=975 .

Критерий Рейнольдса (Re) для потока продукта:

   (2.10)

Критерий Прандтля для потока продукта (Pr) и для пристеночного слоя продукта (Prст):

,                (2.11)

.                   (2.12)

Критерий Нуссельта (Nu) (для случая развитого турбулентного движения жидкостей в трубах и каналах (Re>10000) по формуле (1.8)):

Nu=

Nu= =355.

Коэффициент теплоотдачи от стенки теплообменных труб к продукту a2, :

 (2.13)

Термическое сопротивление стенки ( без учета термического сопротивления загрязнений) Rст, :

Rст= ,[2]                      (2.14)

Общий коэффициент теплопередачи между средами К,  (по формуле (1.7)):

 .

Тепловая нагрузка аппарата (количество тепла, которое передается через поверхность теплообмена от теплоносителя до продукта) Q, (Вт) (по формуле (1.4)):

Q=Gcпр(t2-t1)=2,8×4159(70-12)=675422 Вт.

Необходимая поверхность теплообмена F, (м2) (по формуле (1.1)):

(м2).

Затрата теплоносителя (греющего пара) Gгр, :

.   (2.15) [3]

2.2 Конструктивный расчет аппарата

Площадь сечения всего потока продукта (площадь сечения пучка труб) f, (м2):

(м2),                          (2.16)

Количество труб n1 в трубном пучке:

  (2.17)

принимается n1= 3 теплообменных трубы в каждом ходе по трубному пространству.

Уточнённое значение скорости движения продукта w, :

.               (2.18)

Расчетная длина одной трубки в трубном пучке L, (м):

(м).                        (2.19)

Количество ходов теплообменника z:

,                                      (2.20)

принимается z=4 хода по трубному пространству кожухотрубного теплообменника.

Необходимое количество теплообменных труб в трубной решетке n:

n=zn1=4×3=12 труб.                                                        (2.21)

Диаметр трубной решетки Dр, (мм):

(мм),    (2.22) [4]

Внутренний диаметр кожуха теплообменника D, (мм):

D=t(b-1)+4d=59,4(5-1)+4×30=358 (мм),                 (2.23)

принимается для изготовления кожуха теплообменника труба Æ360х5 мм.

Живое сечение межтрубного пространства fмт, (м2):

fмт=0,785((D-2s) 2-nd 2)=                                                        

=0,785((0,360-2×0,005)2-12×0,032)=87,68×10-3 (м2).       (2.24)

По уравнению объемных затрат V, :

,                                               (2.25)

определяются диаметры патрубков d, м, для рабочих сред:

.                                              (2.26)

Диаметр патрубка для входа пара в аппарат, dп, (м):

(м).

Диаметр патрубка для выхода конденсата пара, dк, (м):

(м).

Диаметр патрубка для входа продукта в аппарат, dвх, (м):

(м).

Диаметр патрубка для выхода продукта из аппарата, dвих, (м):

(м).

2.3 Гидравлический расчет аппарата

Полное гидравлическое сопротивление теплообменного аппарата, DР (Па):

   (2.27) [5]

Для изотермического турбулентного движения в гидравлично - шероховатых трубах (соответственно /6/):

     (2.28) [6]

Сумма коэффициентов местных сопротивлений xг в аппарате:

,                          (2.29) [7]

(Па) 

Мощность привода насоса N, (Вт), необходимая для перемещения продукта по трубному пространству теплообменного аппарата:

(Вт)                                                          (2.30) [8]

V= .                                     (2.31)

N= (Вт).

2.4 Расчеты на прочность

Допустимые напряжения при расчете по предельным нагрузкам емкостей и аппаратов, которые работают при статических одноразовых нагрузках, определяются согласно ГОСТ 14249-89.

Расчет на прочность гладкой цилиндрической обечайки кожуха, нагруженной внутренним избыточным давлением, проводится согласно ГОСТ 14249-89.