Расчет теплообменного аппарата

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ 

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ  УНИВЕРСИТЕТ

 

 

Кафедра промышленной теплоэнергетики

 

 

Курсовая  работа

 

Тепломассобменное оборудование промышленных предприятий

 

«Расчет теплообменного аппарата».

 

 

                                                                 

                                                                               Выполнил:  Канюгин А. А.

группа  ТЭ-09-2

Проверил:   Крамченков Е.М.

 

 

 

 

 

 

 

Липецк 2013

Содержание

1. Введение………………………………………………………………………...4

2. исходные  данные…………………………………………………………….…5

2. Расчет  кожухотрубчатого теплообменника……………………………….….6

3. Расчет  пластинчатого теплообменника………………………..…….………18

4. Выводы………………………………………………………...……………....21

5. Список  литературы……………………………………………………………23

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Введение

 Кожухотрубчатый теплообменник является наиболее распространенным аппаратом вследствие компактного размещения большой теплопередающей поверхности в единице объема аппарата. Поверхность теплообмена в нем образуется пучком параллельно расположенных трубок концы которых закреплены в двух трубных досках (решетках). Трубки заключены в цилиндрический кожух, приваренный к трубным доскам или соединенный с ними фланцами. К трубным решеткам крепятся на болтах распределительные головки (днища), что позволяет легко снять их и произвести чистку трубок или в случае необходимости заменить новыми. Для подачи и отвода теплообменивающихся сред в аппарате имеются штуцера. В целях предупреждения смешения сред трубки закрепляются в решетках чаще всего развальцовкой, сваркой или реже для предупреждения термических напряжений с помощью сальников.

Преимущества  проведения процессов теплообмена  по принципу противотока, что обычно и выполняется в кожухотрубчатых теплообменных аппаратах. При этом охлаждаемую среду можно направить сверху вниз, а нагреваемую на встречу ей, или наоборот. Выбор, какую среду направить в межтрубное пространство и какую внутрь трубок, решается сопоставлением ряда условий:

• среду с наименьшим значением следует направлять в трубки для увеличения скорости ее движения, а следовательно, и для увеличения ее коэффициента теплоотдачи;
• внутреннюю поверхность трубок легче чистить от загрязнений, поэтому теплоноситель, который может загрязнять теплопередающую поверхность, следует направлять в трубки;
• среду под высоким давлением целесообразно направлять в трубки, опасность разрыва которых меньше по сравнению с кожухом;
• среду с очень высокой или наоборот с низкой температурой лучше подавать в трубки для уменьшения потерь тепла в окружающую среду.

Работу  кожухотрубчатых теплообменников можно интенсифицировать, применяя трубы малого диаметра. Необходимо иметь в виду, что при уменьшении диаметра труб увеличивается гидравлическое сопротивление теплообменника.

Наиболее  простой путь обеспечения высоких  скоростей состоит в устройстве многоходовых теплообменников. Число  ходов в трубном пространстве может доходить до 8 - 12. При этом часто  не удается сохранить принцип  противотока. Наличие смешанного тока буден несколько снижать движущую силу процесса теплопередачи, что соответственно снизит эффективность работы. С помощью  перегородок увеличивается скорость движения той среды, у которой  меньше значение коэффициента теплоотдачи. Следует иметь в виду, что в длинных, особенно в многоходовых, теплообменниках уменьшается смешение поступающей среды со всем ее количеством, находящемся в аппарате, и этим предупреждается возможное дополнительное уменьшение средней разности температур.

В кожухотрубчатых теплообменниках при большой разности температур между средами возникают значительные термические напряжения, особенно в момент пуска или остановки аппарата, вызванные различным удлинением трубок и кожуха под воздействием различных температур. Во избежание возникновения таких напряжений используются следующие меры:

1. Установка в корпусе аппарата линзового компрессора.
2. Установка в теплообменнике только одной трубной решетки, в которой закреплены трубки U - образной формы.
3. Устройство теплообменников с «плавающей головкой».
4. Закрепление трубок в одной из трубных решеток с помощью сальников.
5. Сальниковое соединение трубной решетки с кожухом.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Расчет кожухотрубчатого теплообменника

1) Физико-химические  характеристики греющего раствора  при

                                    [1]

ρ₁=958,4кг/м³; λ=0,677Вт/(м∙К); μ=281,8∙10^-6Па∙с;

Определение тепловой нагрузки:

                  [1]

 

2) Определим  расход холодного раствора:

 

     Где   – конечная температура холодного раствора

Из условия  задания :

 

Расход холодного  раствора:

 

 

Физико-химические характеристики холодного раствора при

 

ρ₂=979,8м³; λ₂=0,656Вт/(м∙К); μ₂=424,1∙10^-6Па∙с;

 

3) Среднелогарифмическая разность температур в теплообменнике:

 

 

 

 

 

 

4) Ориентировочный  выбор теплообменника.

Горячий теплоноситель  целесообразно направить в трубное  пространство, а холодный – в  межтрубное.

Примем ориентировочное  значение Re_1ор=15000, соответствующее развитому турбулентному режиму течения в трубах. Очевидно, такой режим возможен в теплообменниках, у которых число труб n, приходящееся на один ход по трубам диаметром d_н=20х2 мм, равно:

 

                      [1]

Для труб диаметром d_н=25х2 мм:

 

 

Ориентировочное значение коэффициента теплопередачи, соответствующее турбулентному течению теплоносителей, равно К_ор=800-1700 Вт/(м²∙К). При этом ориентировочное значение поверхности теплообмена составит:

 

Подходящий вариант теплообменного аппарата:

1. D кожуха=800 мм, d труб =20х2, поверхность теплообмена = 130м², длина труб = 3,0м, число ходов z = 2, общее число труб n = 690.

В многоходовых теплообменниках средняя движущая сила несколько меньше, чем в одноходовых, вследствие возникновения смешанного взаимного направления движения теплоносителей.

Поправка  для средней разницы температур:

 

 

 

По диаграмме  из [1]:

 

 

С учетом этих оценок ориентировочная поверхность  составит

 

Вариант 1

 

 

Коэффициент теплоотдачи к жидкости, движущейся по трубам турбулентно, равен:

 

Поправкой здесь можно пренебречь, так как разность температур t₁ и t_ст1 невелика.

Минимальное сечение потока в межтрубном пространстве S_мтр=0,069м², и

 

 

Число Рейнольдса оказалось в пределах 2300>Re>10⁴, что характерно для переходного режима течения жидкости. Коэффициент теплоотдачи к холодному раствору α считается по формуле:

 

Примем термические  сопротивления загрязнений равными r_з1= r_з2=1/5800 м²К/Вт. Повышенная коррозионная активность жидкости диктует выбор в качестве материала труб нержавеющей стали. Теплопроводность нержавеющей стали α_ст=17,5 Вт/(м·К). Сумма термических сопротивлений стенки и загрязнений равна:

 

 

 

Коэффициент теплопередачи равен:

 

Требуемая поверхность составляет:

 

Из-за переходного режима течения  холодного теплоносителя, требуется  большая поверхность теплообмена. Поэтому необходимо создать условия для того, чтобы холодный теплоноситель имел турбулентный характер движения, для более интенсивного теплообмена и снижения требуемой площади теплообмена.

Для этого необходимо определить новое  значение расхода и значения температур холодного Rе₂= Rе_ор=15000.

 

 

Где μ₂= – максимальная динамическая вязкость холодной среды, для удовлетвория условий принятого режима теченя в данном случае.

Данная динамическая вязкость характерна для 

Найдем : 

Найдем :

 

  и .

Физико-химические характеристики холодного раствора при

 

ρ₂=988 м³; λ₂=0,643Вт/(м∙К); μ₂=547,6∙10^-6Па∙с;

Среднелогарифмическая разность температур в теплообменнике:

 

 

 

Поправка  для средней разницы температур:

 

 

По диаграмме  из [2]:

 

 

С учетом этих оценок ориентировочная поверхность  составит

 

Пересчитаем Вариант 1:

D кожуха=800 мм, d труб =20х2, поверхность теплообмена = 130м², длина труб = 3,0м, число ходов z = 2, общее число труб n = 690.

 

 

Коэффициент теплоотдачи к жидкости, движущейся по трубам турбулентно, равен:

 

Поправкой здесь можно пренебречь, так как разность температур t₁ и t_ст1 невелика.

Минимальное сечение потока в межтрубном пространстве S_мтр=0,069м², и

 

 

 

Примем термические  сопротивления загрязнений равными r_з1= r_з2=1/5800 м²К/Вт. Повышенная коррозионная активность жидкости диктует выбор в качестве материала труб нержавеющей стали. Теплопроводность нержавеющей стали α_ст=17,5 Вт/(м·К). Сумма термических сопротивлений стенки и загрязнений равна:

 

 

 

Коэффициент теплопередачи равен:

 

Требуемая поверхность составляет:

 

Из выбранного ряда подходит теплообменник  с длиной труб L=3,0м и номинальной площадью поверхности  F_н=130м²

Определим запас площади поверхности:

 

Масса теплообменника М=3550кг.

 

Вариант 2

D кожуха=800 мм, d труб =25х2, число ходов z = 2, общее число труб n = 442.

Аналогично  рассчитывается вариант теплообменника №2

Получаем:

Re₁=17532, α₁=2336 Re₂=16304, α₂=, K=808, F=117,2м².

Из ряда теплообменников  подходит с длиной труб L=4,0м и номинальной площадью поверхности  F_н=130м².

Запас площади поверхности:

 

Масса теплообменника М=4350кг.

 

Вариант 3

D кожуха=600 мм, d труб =20х2, число ходов z = 1, общее число труб n = 389.

Аналогично  рассчитывается вариант теплообменника №3

Получаем:

Re₁=13073, α₁=2425 Re₂=22270, α₂=, K=926, F=91м².

Из ряда теплообменников  подходит с длиной труб L=4,0м и номинальной площадью поверхности  F_н=98м².

 

 

 

Запас площади поверхности:

 

Масса теплообменника М=2480кг.

 

Вариант 4

D кожуха=600 мм, d труб =25х2, число ходов z = 1, общее число труб n = 257.

Аналогично  рассчитывается вариант теплообменника №4

Получаем:

Re₁=15076, α₁=2071 Re₂=28533, α₂=, K=857, F=99м².

Из ряда теплообменников  подходит с длиной труб L=6,0м и номинальной площадью поверхности  F_н=121м².

Запас площади поверхности:

 

 

Масса теплообменника М=3450кг.

 

Сведем основные данные в таблицу 1 

Таблица 1. Параметры расчета теплообменников.

Вариант	D, диаметр кожуха, мм	d, диаметр труб, мм	n, число труб	z, число ходов	L, длина труб, м	K, коэффициент теплпередачи, Вт/м2·К	F, площадь поверхности теплообмена, м2	Fном, номинальная площадь поверхности теплообмена, м2	Запас по поверхности в %	Масса,кг
1	800	20х2	690	2	3,0	870	109	130	19	3550
2	800	25х2	442	2	4,0	808	117	130	10,9	4350
3	600	20х2	370	1	4,0	926	91	98	7,7	2480
4	600	25х2	257	1	6,0	857	99	121	21	3450