Определение геометрических параметров конденсатора

Имея данные по диаметру трубок, расходу охлаждающей воды, задавшись с учетом изложенных выше рекомендаций скоростью охлаждающей воды, можно определить расчетное количество трубок, из которых и состоит поверхность теплообмена.

Во многих случаях трубный пучок разделяется на части, в каждой из которых охлаждающая вода, протекающая внутри трубок, не меняет направления. Эти части называются ходами.

Расчетное число трубок в одном ходе аппарата определяется по формуле

(97)

где G массовый расход теплоносителя, кг/ч;

d_вн внутренний диаметр трубок, м;

w скорость теплоносителя в трубках поверхности теплообмена аппарата, м/с;

ρ плотность теплоносителя, кг/м³.

Расчетное количество трубок в аппарате равняется

N_p =n∙z, (98)

где z число ходов теплоносителя в аппарате.

Расчетная длина трубок l_р определяется из выражения (48):

l_р = F_р / π d_н N_р .

Полная длина прямой трубки конденсатора с двумя трубными досками оп­ределяется выражением:

(99)

где расчетная (активная) длина трубки, равная сумме расстояний между соседними перегородками, м;

количество промежуточных перегородок;

толщина промежуточной перегородки, м;

участок трубки в трубной доске, равный толщине трубной доски, м.

Полученная расчетным путем площадь теплообменной поверхности представляет собой трубный пучок определенной компоновки, состоящий из расчетного количества N_ртрубок длиной l_полн ,трубных досок и некоторого количества перегородок.

Рис. 7. Способы разбивки трубок. а) шахматная, б) треугольная, в) коридорная, г) – квадратная, д) по концентрическим окружностям, е) радиальная

Понятие компоновки включает в себя как собственно конфигурацию трубного пучка в границах трубной доски и в паровом пространстве, так и компактность, глубину и плотность, характеризующие размещение трубок. От правильно выб­ранной компоновки трубного пучка зависит эффективность работы конденсатора, что проявляется в минимизации аэродинамического сопротивления и равномерности распре­деления параметров процесса теплообмена в пучке.

Размещение трубок в трубном пучке определяется способом и шагом разбивки. Различают следующие способы разбивки трубок в трубном пучке (рис. 7): шах­матная и ее частный случай треугольная; коридорная и ее частный случай квадратная; радиальная; разбивка по концентрическим окружностям. При треу­гольной разбивке оси трубок размещаются по углам равностороннего треугольни­ка, что обеспечивает большую прочность трубной доски при заданном проходном сечении для потока теплоносителя в межтрубном пространстве, чем при квадрат­ной разбивке; зато при квадратной разбивке облегчаются технология изготовле­ния и некоторые операции по обслуживанию аппарата.

Шагом разбивки (S) называется расстояние между осями соседних трубок. Уменьшение шага ведет к сокращению габаритов аппарата, но лимитируется проч­ностью трубных досок и величиной аэро- и гидродинамического сопротивления трубного пучка.

В практике проектирования аппаратов часто пользуются понятием относителъного шага, т.е. отношением шага разбивки к наружному диаметру трубки, Для при­меняемых в настоящее время способов крепления трубок в трубных досках значе­ние находится в пределах 1,25...1,60 [7,10,12,13].

Шахматная и коридорная разбивки трубок характеризуются поперечным и про­дольным шагами (S₁ и S₂) и соответствующими относительными шагами и . Частным случаем шахматной разбивки трубок является треугольная, когда оси соседних трубок размещаются в вершинах равностороннего треугольника со сто­роной, равной шагу S. Треугольная разбивка наиболее распространена. При квад­ратной разбивке оси трубок размещаются в вершинах квадрата со стороной S.

Элементарная площадка трубной доски, приходящаяся на одну трубку, состав­ляет при треугольной разбивке: s_э = S² ∙ sin60° =0,866 S², а при квадратной: s_э = S². Из сравнения этих выражений видно, что на одной и той же площади трубной доски при одинаковом шаге треугольная разбивка позволяет разместить на 15,5 % больше трубок, чем квадратная.

Для оценки компактности конструкции аппарата часто используется величина удельной поверхности теплообмена поверхности, приходящейся на единицу объема аппарата (на 1 м длины трубки). Значение этого параметра для треуголь­ной ( )и квадратной (f_кв) разбивок составит соответственно

(100)

(101)

Приведенные зависимости показывают, что при одинаковых значениях диа­метра и шага трубок трубный пучок с треугольной разбивкой компактнее, чем с квадратной.

Площадь трубной доски не может полностью использоваться для размещения трубок, поскольку необходимо иметь свободное пространство на трубной доске для установки перегородок, анкерных связей в водяных камерах, на­правляющих щитов и других элементов конструкции в межтрубном пространстве Коэффициент использования трубной доски u_тр характеризует отношение пло­щади, занимаемой трубками пучка, к площади трубной доски:

(102)

где D диаметр трубной доски, м;

N количество трубок в пучке.

Коэффициент заполнения трубной доски показывает соотношение дей­ствительного количества трубок в пучке и числа трубок, которое можно было бы разместить при полном использовании площади трубной доски. При этом обычно за основу принимается треугольная разбивка как наиболее компактная.

Если общее число трубок в пучке N, а диаметр трубной доски D, то необходи­мая для размещения трубок площадь составит 0,866∙S²∙N, а площадь всей труб­ной доски . Тогда можно записать

(103)

Сопоставляя зависимости (102) и (103), получаем

(104)

Значения η_тр и u_тр рекомендуется принимать в диапазонах: η_тр=0,56...0,72; u_тр = 0,24...0,32.

С учетом формул (102) и (103) можно определить условный диаметр трубной доски:

(105)

Максимальное количество трубок N, которое можно расположить в трубной доске при треугольной разбивке, опреде­ляется соотношением

N=N_о∙a∙b, (106)

где N_o количество трубок, располагающихся на площади, ограниченной впи­санным в окружность трубной доски шестиугольником (рис. 8);

Рис. 8. Схема к определению максималь­ного количества трубок при треугольной разбивке

а коэффициент, учитывающий количество трубок, расположенных в сегмен­тах, образованных окружностью трубной доски и сторонами вписанного шес­тиугольника; при N_o ͟< 127 а = 1,0; при 127<N_o<169 а = 1,05...1,10; при N_o>169 а =
= 1,11…1,16;

b коэффициент, учитывающий количество трубок, которые исключаются при установке меж-ходовых перегородок, анкерных и каркасных связей. Для четы­рехходовых аппаратов без анкерных и каркасных связей в водяной камере b = 0,95. Для одно- и двухходовых конденсаторов b≈ 1,0.

Общее количество трубок в трубной доске связано с ее диаметром D и диамет­ром корпуса D_куравнениями

(107)

(108)

где А величина зазора между внутренним диаметром корпуса и трубным пуч­ком.

Пространственная конфигурация трубного пучка определяет проходные сече­ния для межтрубного теплоносителя и, следовательно, влияет на распределение полей скоростей и давлений в трубном пучке, от которых, в свою очередь, зависит уровень тепловой эффективности пучка. При одинаковой поверхности теплообме­на можно создать трубные пучки с различными величинами аэродинамического сопротивления и теплоотдачи. Чем более развита периферия пучка, по которой происходит натекание теплоносителя, чем меньше глубина и плотность пучка, тем лучше условия для теплообмена. Разработка рациональной компоновки трубного пучка заключается в нахождении оптимума между массогабаритными характе­ристиками и характеристиками тепловой эффективности аппарата.

Компоновка трубного пучка должна также учитывать специфику работы теп­лообменного аппарата. Так, в конденсаторах ПТУ наиболее эффективными явля­ются ленточная или модульная компоновки, а в подогревателях низкого давления и подогревателях сетевой воды — островная.