7.3.2 Розрахунок кожухотрубчастих теплообмінників

Розрахунок теплообмінних апаратів буває конструкційний і повірочний. При повірочному розрахунку визначають площу поверхні теплообміну зі сторони теплоносія з меншим коефі-цієнтом тепловіддачі α. Метою конструкційного розрахунку є визначення режиму руху теплоносіїв і їх кінцевих температур. І в першому, і в другому випадках розрахунку використо-вуються рівняння теплопередачі і теплового балансу.

Рівняння теплопередачі має вигляд:

, (7.1)

де Q – тепловий потік, Вт;

k – коефіцієнт теплопередачі, ;

- середній температурний напір, ºC, К;

F – площа поверхні теплообміну, м².

Звідси площа поверхні теплообміну

м²

Рівняння теплового балансу має вигляд:

Q₁ = Q₂ = Q – при відсутності теплових втрат в навколишнє середовище

, (7.2)

де G₁, G₂ – масові витрати гарячого і холодного теплоносіїв, ;

C_pm1, C_pm2 – середні масові ізобарні теплоємності гарячого і холодного теплоносіїв, ;

- температура гарячого теплоносія на вході і виході з теплообмінника, ºС;

- температура холодного теплоносія на вході і виході з теплообмінника, ºС;

(7.3)

α₁, α₂ – коефіцієнти тепловіддачі зі сторони гарячого і холодного теплоносіїв, ;

δ – товщина стінки трубки, м;

𝜆 – коефіцієнт теплопровідності матеріалу стінки труби, ;

Середньологарифмічний температурний напір визначається за формулою:

, (7.4)

де ∆t_б, ∆t_м – більша і менша різниці температур, ºС.

Для прямотічного руху теплоносіїв:

(7.5)

Схема руху теплоносіїв при прямотоці і протитоці показані на рис.7.8, 7.9.

Рисунок 7.8 – Зміна температури теплоносіїв при прямо-тічному русі

Для протитічного руху теплоносіїв:

(7.6)

Рисунок 7.9 – зміна температури теплоносіїв при протитічному русі

7.4 Трубчасті печі

Трубчасті печі – це апарати, призначені для передачіпродуктові тепла, яке виділяється при спалюванні палива безпосередньо в цьому ж апараті. Трубчаста піч зазвичай має дві камери – радіантну та конвекційну. У радіантній камері згорає паливо і тепло передається трубам в основному за рахунок випромінювання від нагрітих продуктів згорання та кладки печі. У конвекційній камері тепло передається трубам за рахунок конвекції при контакті гарячих продуктів згорання з трубами печі. Конструктивна схема трубчастої печі показана на рис.7.10.

1 – форсунка, 2 – труби бокового екрану радіантної каме-ри, 3 – кладка печі, 4 – каркас печі, 5- покрівля печі, 6 – під-вісне склепіння, 7 – труби горішнього екрану радіантної камери, 8 – підвіски, 9 – трубні підвіски, 10 – труби конвекцій-ної камери, 11 – трубна решітка конвекційної камери,

12 – димохід, 13 – димова труба, 14 – труби долішнього екрану радіантної камери.

Рисунок 7.10 – Конструктивна схема трубчастої печі

Працює трубчаста піч так. Сировина, що підлягає нагріву або реакційному перетворенню в печі, подається у пічний змійовик спочатку в конвекційні, а потім в радіантні труби. У радіантній камері печі за допомогою форсунок або пальників спалюється рідке або газоподібне паливо. Утворені димові гази, пройшовши через перевал, надходять у конвекційну камеру, де віддають частину тепла конвекційним трубам. Далі димові гази проходять димохід (боров) печі і виводяться через димову трубу в атмосферу.

У промисловості застосовується велика кількість трубчас-тих печей різної конструкції. Залежно від способу передачі тепла потокові сировини трубчасті печі поділяють на три групи: конвекційні, радіантно-конвекційні та радіантні.

У конвекційних печах основна частина тепла передається шляхом конвекції. Радіацією передається 20-30 % тепла. Труб-ні змійовики таких печей розміщені тільки в конвекційній камері. У печах радіантно-конвекційного типу 40-60 % всього тепла передається радіацією, а решта – конвекцією. Печі даного типу найчастіше застосовують у нафтопереробній промисловості. У радіантних печах основна частина тепла передається у радіантній камері. Конвекційна камера має допо-міжне значення, а в деяких випадках взагалі відсутня. Надолік таких печей – висока температура димових газів на виході з печі, що погіршує економічні показники її роботи.

Залежно від технологічного призначення розрізняють нагрівальні та нагрівально-реакційні трубчасті печі. Нагрі-вальні трубчасті печі призначені для нагрівання та випаро-вування сировини. В нагрівально-реакційних трубчастих печах сировина не тільки нагрівається до певної температури, але і підлягає корінним перетворенням, які ведуть до зміни складу вихідної сировини (печі піролізу, термічного крекінгу тощо).

За конструктивними ознаками трубчасті печі поділяються на коробчасті та циліндричні, з похилим склепінням і вертика-льні. Залежно від кількості радіантних камер трубчасті печі бувають одно-, двох- та багатокамерними. Труби радіантної камери можуть бути розміщені горизонтально або вертика-льно. Залежно від місця розміщення трубні екрани називають горішніми, боковими та долішніми, а залежно від напрямку підведення тепла – одно- та двохстороннього опромінення. Залежно від кількості потоків сировини в піч розрізняють одно-, двох- та багатопоточні печі.

У трубчастих печах застосовують такі способи спалювання палива:

• вільний, коли паливо згоряє вільним факелом;

• настильний, при якому факел стелиться по поверхні стінки і вона, розжарившись, випромінює тепло на екрани пічних труб;

• з диференційованим підводом повітря, коли повітря вводиться диференційовано по всій висоті факела;

• безполум’яне спалювання, коли паливо згорає в отворах керамічної насадки панельного пальника спеціальної конструкції.