Facteurs à prendre en compte dans la conception des échangeurs de chaleur à calandre et à tubes

Il existe de nombreux types d'équipements d'échange de chaleur et, pour chaque condition de transfert de chaleur spécifique, le modèle d'équipement le plus adapté peut être obtenu grâce à une sélection optimisée. Si ce modèle d'équipement est utilisé dans d'autres conditions, l'effet de transfert de chaleur peut être considérablement modifié. Par conséquent, la sélection du type d'échangeur de chaleur pour des conditions de fonctionnement spécifiques est une tâche importante et complexe. Les facteurs suivants méritent d'être pris en compte lors de la conception des échangeurs de chaleur à calandre et à tubes.
1. Sélection de la vitesse d'écoulement
Le débit est une variable importante dans la conception d'un échangeur de chaleur. L'augmentation du débit augmente le coefficient de transfert de chaleur, tandis que la perte de charge et la consommation d'énergie augmentent également en conséquence. Si un fluide de pompage est utilisé, il convient de considérer que la perte de charge est autant que possible absorbée par l'échangeur de chaleur plutôt que par la vanne de régulation. Cela peut s'appuyer sur l'augmentation du débit pour améliorer l'efficacité du transfert de chaleur.
L'utilisation d'un débit plus élevé présente deux avantages : d'une part, il augmente le coefficient global de transfert de chaleur, réduisant ainsi la zone de transfert de chaleur ; d'autre part, il réduit la possibilité de générer de la saleté à la surface du tuyau. Mais il augmente également la résistance et la consommation d'énergie en conséquence, de sorte qu'une comparaison économique est nécessaire pour déterminer finalement le débit approprié.
De plus, lors du choix de la vitesse d'écoulement, les exigences structurelles doivent également être prises en compte. Pour éviter une usure excessive de l'équipement, le débit calculé ne doit pas dépasser le débit empirique maximal autorisé.
2. Choix de permettre la chute de pression
Le choix d'une perte de charge plus importante peut augmenter le débit, améliorant ainsi l'efficacité du transfert de chaleur et réduisant la surface de transfert de chaleur. Cependant, la perte de charge importante augmente également le coût de fonctionnement de la pompe. La valeur de perte de charge appropriée doit être déterminée en ajustant à plusieurs reprises la taille de l'équipement et en optimisant les calculs en fonction du coût total annuel de l'échangeur de chaleur.
Dans la plupart des dispositifs, il peut être constaté que la résistance thermique d'un côté est nettement supérieure à celle de l'autre côté, et la résistance thermique de ce côté devient alors la résistance thermique de contrôle. La résistance thermique du côté de la coque peut être contrôlée en augmentant le nombre de déflecteurs ou en réduisant le diamètre de la coque pour augmenter la vitesse d'écoulement du fluide du côté de la coque et réduire la résistance thermique du transfert de chaleur. Cependant, la réduction de l'espacement entre les déflecteurs est limitée et ne peut généralement pas être inférieure à 1/5 du diamètre de la coque ou 50 mm. Lorsque la résistance thermique du côté du tube est le côté de contrôle, l'augmentation de la maturité du tube est nécessaire pour augmenter la vitesse d'écoulement du fluide.
Lors de la manipulation de matériaux visqueux, si le fluide est en écoulement laminaire, le matériau sera transporté à travers le côté de la coque. En raison de la tendance à l'écoulement turbulent du fluide côté coque, un taux de transfert de chaleur plus élevé peut être obtenu et le contrôle de la chute de pression peut également être amélioré.
3. Détermination du fluide dans le procédé à calandre et à tubes
Le choix du chemin approprié pour le fluide est principalement basé sur la pression et la température de fonctionnement du fluide, la perte de charge disponible, la structure et les caractéristiques de corrosion, ainsi que sur la sélection des matériaux d'équipement requis. Les facteurs suivants peuvent être pris en compte lors du choix :
Les fluides adaptés au processus de tuyauterie comprennent l'eau, la vapeur d'eau ou les fluides hautement corrosifs ; les fluides toxiques ; les fluides faciles à structurer ; les fluides de fonctionnement à haute température ou à haute pression, etc.
Le fluide adapté au procédé shell est la condensation du distillat supérieur; Condensation et rebouillage d'hydrocarbures; Fluide contrôlé par perte de charge dans les raccords de tuyauterie; Fluide à haute viscosité, etc.
Une fois la situation ci-dessus éliminée, le choix du chemin à suivre par le fluide doit se concentrer sur l'amélioration du coefficient de transfert de chaleur et sur l'optimisation de la perte de charge. En raison du fait que l'écoulement du fluide côté calandre est sujet à des turbulences (Re supérieur ou égal à 100), il est généralement avantageux de faire passer des fluides à forte viscosité ou à faible débit, c'est-à-dire des fluides à faible nombre de Reynolds, à travers le côté calandre.
Au contraire, si le fluide peut atteindre la turbulence du côté du tube, il est plus raisonnable d'agencer le côté du tube. Si l'on considère la perte de charge, il est généralement raisonnable d'avoir un faible nombre de Reynolds pour le passage de la coque.
4. Détermination de la température finale d'échange thermique
La température finale de l'échange de chaleur est généralement déterminée par les besoins du processus. Lorsque la température finale de l'échange de chaleur peut être sélectionnée, sa valeur a un impact significatif sur la rationalité économique de l'échangeur de chaleur. Lorsque la température de sortie du fluide chaud est égale à celle du fluide froid, l'efficacité d'utilisation de la chaleur est la plus élevée, mais la différence de température de transfert de chaleur effective est la plus faible et la surface de transfert de chaleur est la plus grande.
De plus, lors de la détermination de la température de la sortie logistique, il n'est pas souhaitable d'avoir un croisement de température, où la température de la sortie de fluide chaud est inférieure à celle de la sortie de fluide froid.
5. Sélection de la structure de l'équipement
Pour certaines conditions de processus, la première étape consiste à déterminer la forme de l'équipement, par exemple en choisissant une forme de plaque tubulaire fixe ou une forme de tête flottante. Reportez-vous au tableau 1-7 ci-dessous
Dans le processus de conception des échangeurs de chaleur, l'objectif global d'améliorer le transfert de chaleur peut être résumé comme suit : réduire la taille de l'échangeur de chaleur sous une capacité de transfert de chaleur donnée ; améliorer les performances des échangeurs de chaleur existants ; réduire la différence de température du fluide de travail en circulation ; ou réduire la puissance de la pompe.
Le processus de transfert de chaleur désigne le processus par lequel deux fluides échangent de la chaleur à travers la paroi d'un dispositif dur. Selon le mode de transfert de chaleur du fluide, il peut être fondamentalement divisé en deux types : sans changement de phase et changement de phase. Les recherches sur l'amélioration de la technologie de transfert de chaleur sans changement de phase adoptent généralement des mesures correspondantes basées sur le contrôle du côté de la résistance thermique :
Si l'on utilise l'expansion de la surface intérieure ou extérieure du tube ; Utiliser des objets étrangers insérés dans le tube ; Modifier la forme des composants de support du faisceau ; Ajouter des additifs non miscibles à bas point d'ébullition et d'autres méthodes pour améliorer l'efficacité du transfert de chaleur.