Лекция № 11

Тема: «Теплообменные аппараты»

В пищевой промышленности широко применяют аппараты для нагревания, охлаждения или выпаривания многих видов сырья, полуфабрикатов и продуктов.

Современные теплообменные аппараты должны обеспечивать передачу требуемого количества тепла от одной среды к другой с получением необходимых конечных температур и при возможности большой интенсивности теплообмена.

Для осуществления длительной работоспособности в процессе эксплуатации при обработке среды, загрязнённой или выделяющей отложения на стенках аппарата, необходимо производить периодические осмотры и очистку поверхностей.

Аппараты должны обладать достаточной прочностью и иметь возможно малые габаритные размеры. При конструировании необходимо находить оптимальные решения, учитывающие требования обеспечения возможности разборки рабочей части аппарата и герметичности системы каналов, возможно высоких коэффициентов теплопередачи за счёт повышения скорости движения рабочей среды при минимальных гидравлических потерях в аппарате. В пищевых и химических производствах до 70 % теплообменных аппаратов применяют для сред жидкость–жидкость и пар–жидкость при давлении до 1 МПа и температуре до 200 °С. Для указанных условий разработаны и серийно изготовлены теплообменные аппараты общего назначения кожухотрубчатого и спирального типов.

В пищевой и смежных отраслях промышленности нашли широкое применение горизонтальные кожухотрубчатые теплообменники (рис. 24).

Рис. 24. Кожухотрубчатый теплообменник

К основным элементам теплообменников относятся трубные решетки, представляющие собой перегородки, которыми трубное пространство отделяется от межтрубного. В трубных решетках закрепляют трубки теплообменника.

На рис. 25 приведены варианты крепления трубных решеток. Конструкция узла соединения трубок с трубными решетка­ми должна обеспечивать достаточную плотность и прочность соединения.

Рис. 25. Трубные решетки: а – приварная к корпусу; б – зажатая между фланцами; в – присоединенная к фланцу кожуха на болтах

По одному из вариантов соединения концы трубок и отвер­стия в трубных решетках тщательно обрабатывают. После того как трубки вставляют в отверстия, концы трубок подвергают внутренней обкатке роликами вальцовки; в результате в стенках трубки создаются остаточные пластические, а в трубной решетке – упругие деформации. Благодаря этому после развальцовки материал трубной решетки плотно сжимает концы трубок. Для увеличения прочности соединения применяют развальцовку на конус или с канавками в отверстиях трубной решетки. Стальные трубки можно и приваривать. В этом случае достигается высокая прочность соединения, но при выходе трубки из строя ее замена исключена. В охлаждаю­щих медных и латунных аппа­ратах трубки припаивают к трубной решетке. В некоторых случаях применяют сальнико­вое крепление трубок, обеспе­чивающее компенсацию темпе­ратурных удлинений.

Основные способы соедине­ния труб с трубными решет­ками схематически показаны на рис. 26.

Рис. 26. Варианты крепления труб в трубных решетках: а, б – развальцовкой; в – сваркой; г – пайкой; д – склейкой

При проектировании теплообменной трубчатой аппаратуры необходимо рассчитать толщину трубной решетки с учетом на­пряжений, возникающих вдоль оси трубок и корпуса, в местах крепления трубок в трубных решетках, а также в самих труб­ных решетках.

В пачке труб теплообменных устройств жесткой конструкции возникают напряжения под действием давления среды и вследствие наличия разности температур в аппарате.

Обозначим: D (рис. 27) – внутренний диаметр корпуса ап­парата; d_н и d_в – соответственно наружный и внутренний диа­метры трубок; п – число трубок; р_k – давление среды в меж­трубном пространстве; р_т – давление среды в трубном про­странстве.

Рис. 27. Схема к расчету теплообменника

Осевые усилия, вызванные действием давления среды в пуч­ке труб и стремящиеся оторвать трубки от трубных решеток:

Q' = 0,285 (D² – nd_н) р_k + 0,285nd_e²p_т. (23)

Часть Q'_к усилия Q' воспринимается корпусом аппарата, а другая часть Q'_т – трубками, т. е.:

Q'= Q'_к + Q'_т . (24)

На основании закона Гука изменение длины трубок:

,

где L – длина трубок, равная длине корпуса; F_т – площадь сечения трубок; Е_т – модуль упругости материала трубок.

Изменение длины корпуса:

,

где F_к — площадь сечения обечайки корпуса; Е_к – модуль упругости материала корпуса.

Так как ,то

.

Подставим в последнее равенство значение Q'_т из уравнения (24) и решим полученное равенство относительно Q'_к тогда

.

Аналогично находим

.

Соответственно осевые напряжения в корпусе аппарата и трубках:

Толщина трубной решетки зависит не только от требований к прочности, но и от условий закрепления труб при развальцов­ке, сохранения формы решетки после вальцовки труб. Толщина у стальных трубных решеток s_т из условия завальцовки должна быть не менее 10 мм:

,

где – наружный диаметр трубок.

Толщина медной трубной решетки из условия завальцовки:

.

Согласно отраслевой нормали Министерства химического и нефтяного машиностроения для теплообменника со средней раз­ностью температур труб и кожуха, равной или больше 15 °С, при давлении в трубном или межтрубном пространствах р_т > 5 мн/м² или р_к > 5 мн/м², а также для теплообменников с диаметром кожуха более 1,5 м (при давлении р_к > 1 мн/м²) толщину трубной решетки определяют по формуле:

где – толщина стенки кожуха в м; – приведённое давление; – допускаемое напряжение; – половина длины пучка труб.