Главная | О нас | Обратная связь Автоматизация Автостроение Антропология Археология Архитектура Астрономия Предпринимательство Биология Биотехнология Ботаника Бухгалтерский учет Генетика География Геология Государство Демография Деревообработка Журналистика и СМИ Зоология Изобретательство Иностранные языки Информатика Информационные системы Искусство История Кинематография Кораблестроение Кулинария Культура Лексикология Литература Логика Маркетинг Математика Математический анализ Материаловедение Машиностроение Медицина Менеджмент Металлургия Метрология Механика ОБЖ Охрана Труда Педагогика Политология Правоотношение Программирование Производство Промышленность Психология Радио Разное Социология Спорт Статистика Строительство Теология Технологии Туризм Усадьба Физика Физиология Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электротехника Расчет кожухотрубного теплообменника 2019-11-13 267 Обсуждений (0) Расчет кожухотрубного теплообменника 0.00 из 5.00 0 оценок Скачать документ ⇐ Предыдущая1234Следующая ⇒ Общие сведения о теплообменной аппаратуре Процессы теплообмена имеют большое значение в химической энергетической, металлургической, пищевой и других отраслях промышленности. В теплообменных аппаратах теплопередача от одной среды к другой через разделяющую их стенку обусловлена рядом факторов и является сложным процессом, который принято разделять на три элементарных вида теплообмена: теплопроводность, конвекцию и тепловое излучение. На практике эти явления не обособлены, находятся в каком-то сочетании и протекают одновременно. Для теплообменников наибольшее значение имеет конвективный теплообмен или теплоотдача, которая осуществляется при совокупном и одновременном действии теплопроводности и конвекции. Теплообменом- процесс переноса тепла, происходящий самопроизвольно от более нагретого тела к менее нагретому. В результате передачи тепла происходят процессы: нагревание-охлаждение; парообразование – конденсация; плавления – застывание. Тела, которые участвуют в процессе теплообмена, называются теплоносителями. Теплообменные процессы могут происходить только при наличии разности температур между теплоносителями, т.е. разность температур – движущая сила процесса теплообмена. Теплообменники – устройства, в которых осуществляются обмены между греющей и нагреваемой средами. Теплообменные аппараты применяются практически во всех отраслях промышленности и в зависимости от назначения называются: подогревателями, испарителями, конденсаторами, регенераторами, парообразователями, скрубберами, кипятильниками, выпарными аппаратами и т.д. Кожухотрубчатый теплообменник представляет собой аппарат, состоящий из пучка труб, жестко закрепленных в трубных решетках и ограниченных кожухом и крышками со штуцерами. Крышки и трубы образуют трубное пространство, а между кожухом и поверхностью труб имеется межтрубное пространство.  Пример расчета кожухотрубчатого теплообменника:                                                                                                                                                                                                                               В процессе теплообмена участвует 2 теплоносителя: горячий бензол в количестве 2 кг/с поступает в теплообменник с начальной температурой t1н= 800С и выходит из теплообменника с температурой t1к= 300С, и холодный, которым является вода, подаётся в теплообменник с температурой t2н= 160С и выходит с t2к= 320С. Потери тепла в окружающую среду 2%. В процессе теплообмена агрегатное состояние не изменяется. Физические свойства теплоносителей находят по таблице при средней температуре горячего и холодного теплоносителей. Средняя температура горячей жидкости: Средняя температура холодной жидкости: Таблица 1 Физические свойства теплоносителей. Свойства	Обозначение	Единицы Измерения	Теплоносители
Горячий (бензол)			Холодный (вода)
1	2	3	4	5
Плотность	ρ	Кг/м2	847		998
Теплоёмкость	c	Дж/кг·К	1877		4184
Теплопровод-ность	λ	Вт/м·К	0,1380		0,6140
Вязкость	μ	Па С	0,00043		0,00090

Таблица 1 составлена на основании справочных данных [3].

Решение вопроса о том, какой из теплоносителей направиться в трубное, а какое в межтрубное пространство обусловлено следующими факторами:

В трубное пространство целесообразно подавать:

- теплоносители, имеющие меньший объем, т.к. сечение трубного пучка всегда меньше сечения межтрубного пространства и при этом легче получить необходимые скорости теплоносителя;

- загрязненный теплоноситель. Высокие скорости в трубках будут препятствовать отстаиванию и выделению взвешенных частиц;

- теплоносители находятся под давлением. трубы Хорошо сопротивляются давлению и отпадает необходимость уплотнения кожуха;

- агрессивные теплоносители .В этом случае только в трубный пучок и другие части, соприкасающиеся с теплоносителем, должны делаться из коррозионного материала;

- теплоносители, имеющие очень высокую или очень низкую температуру, т.к. при этом уменьшается потери тепла в окружающую среду.

В межтрубном пространстве кожухотрубных теплообменников целесообразно подавать:

- теплоносители, имеющие большой объём, и особенно газы при атмосферном давлении, от которых ожидается весьма малая величина коэффициента теплопередачи;

- теплоносители с большим коэффициентом теплопередачи, с целью понижения температурных напряжений в межтрубном пространстве теплообменников жесткой конструкции;

- насыщенный пар. Его целесообразно подавать в межтрубное пространство потому, что при этом облегчается удаление конденсата;

Исходя из выше изложенного принимаем решение:

в трубное пространство направляется бензол G₁ ,

в межтрубное вода G₂.

Выбираем противоточную систему движения теплоносителей как наиболее эффективную.

1. Тепловой баланс

1.1 Так как в процессе теплообмена, теплоносители не изменяют своего агрегатного состояния, то количество теплоты, переданное горячим теплоносителем холодному определяется по формулам:

                           (1; с.65)                          

где Q₁ - количество тепла горячего теплоносителя, Вт;

   Q₂ - количество тепла холодного теплоносителя, Вт;

   G₁ - количество горячего теплоносителя, кг/с;

   G₂ - количество холодного теплоносителя, кг/с;

   С₁ - теплоемкость горячего теплоносителя, Дж/кг·К;

   С₂ - теплоемкость холодного теплоносителя, Дж/кг·К;

   t_1н,  t_1к - начальная и конечная температура горячего теплоносителя;

   t_2н,  t_2к - начальная и конечная температура холодного теплоносителя;

с учетом потерь

Q _{горячее} = Q _{холодное} + Q _потери

1.2 Определяем тепловую нагрузку аппаратов.

Количество тепла, переданное горячим теплоносителем Q определяем по формуле:

                             Q₁=G₁ C₁ (t_1н - t_1к)

Q₁= 2 1877 (80 – 30) = 187700 (Вт)

1.3 Определяем потери тепла в окружающую среду.

187700= 100%

Q_потери = 2%

Q_потери = 187700∙2/100 = 3754 (Вт)

1.4 Определяем тепловую нагрузку с учетом потери.

Q =Q₁ – Q_пот  

Q  =187700 – 3754 = 183946 (Вт)

1.5 Определяем расход холодного теплоносителя:

Q₂ = G₂ C₂  (t_2k - t_2н) = Q

1.6 Рассчитаем движущую силу процесса Δt_средн

80 →30 ⁰С

32 ⁰С ← 16 ⁰С

Δtб 48 ⁰С→ Δtм 14⁰С

Определим среднелогарифмическую разность по формуле:   

 
                                                                                                       (2, с. 26)

где Δt_б,   Δt_м - наибольшая и наименьшая температура холодного и горячего

   теплоносителя на концах холодильника, ⁰С     

1.7 Определяем ориентированную поверхность теплообмена по формуле:

                                                                                                       (2, с 26)

  Примем ориентировочное значение Re = 15000, что соответствует развитому турбулентному режиму течения в трубах. Для расчёта F_{ориент.} задаемся приблизительным значением коэффициента теплопередачи, значение К находится в пределах 800-1700 Вт/см²*К, тогда

 Для обеспечения Re = 15000, в теплообменниках используются трубы диаметром 20Х2 мм; и 25х2мм.

1.8 Определяем отношение

а) определяем    для труб

d _н = 20х2мм

б) определим   для труб d_н = 25 2мм

1.9 По ориентировочной поверхности теплообмена по ГОСТ 15 118-79, ГОСТ 15 120-79, ГОСТ 15 122-79 выбираем теплообменник с соотношением n/z, близкие к 20.

Диаметр корпуса, мм	325
Трубы диаметром, мм	20 2
Число ходов, шт.	2
Число труб, м	90
Длина труб, м	1,5
Поверхность теплообмена	8,5

1.10 Выбранный теплообменник является двухходовым.

2. Технологический расчет

Сущность технологического расчета сводится к определению истинного коэффициента теплопередачи, чтобы его определить нужно, знать коэффициент теплопередачи L₁ от горячего теплоносителя бензола к поверхности труб.

2.1 Определим коэффициент теплопередачи для чистой стенки:

                                                                                 (4, с.50)

где L₁ – коэффициент теплопередачи

L₂ – коэффициент теплопередачи от наружной поверхности труб к  холодному теплоносителю. От горячего теплоносителя (бензола) к внутренней поверхности трубы.

 -  это термическое сопротивление многослойной стенки, м²·К/Вт

δ - толщина стенки труб = 0,002 м

λ – коэффициент теплопроводности материала, из которого изготовлены трубы для нержавеющей стали = 17,5Вт/м∙К.

Влияния загрязнения учитывают, при помощи коэффициента  тогда

К = К_чист.∙ φ                                                                           (4, с.49)

 для большинства аппаратов 0,65 0,85.

2.2 Рассчитываем коэффициент теплопередачи горячего теплоносителя, бензола проходящего по трубному пространству по формуле:

                                                                                                         (4, с.49)

где Nu – безразмерный критерий Нуссельта, характеризует интенсивность перехода теплоты на границе поток-стенка;

ι - определяющий геометрически размер, в данном случае это внутренний диаметр труб (d внутр. = 25-4=21мм)

= 0,229 коэффициент теплопроводности теплоносителя бензола, Вт/(м*К).

                                                                                                                 (4, с.49)

где Nu – безразмерный критерий Нуссельта (характеризует интенсивность перехода теплоты на границе поток-стенка);

    Re – безразмерный критерий Рейнольдса (критерий режима движения потока);

    Pr – безразмерный критерий Прандтля (критерий подобия температурных и скоростных полей);

   Gr – безразмерный критерий Грасгофа (критерий применяемый при свободной конвенции).

а) Расчёт начинаем с уточнения значения критерия Рейнольдса:

                                                                                                              (4, с.67)

где d – внутренний диаметр труб, м;

            ^- вязкость теплоносителя, Па∙с;

      G- массовый расход теплоносителя, кг/с;

      n – число труб;

      z – число ходов

б) Определим критерий Прандтля:
                                                                                                                (4, с.67)

в) Определим критерий Нуссельта Nu в прямых трубках круглого сечения без изменения агрегатного состояния при развитом турбулентном движении теплоносителя.

                                                                                                         (4, с.49)

величиной поправки (Pr/Re_стенки)^0,25  можно пренебречь, тогда

Определим коэффициент теплопередачи от бензола к трубам:

2.3 Рассчитаем коэффициент теплоотдачи воды –теплоносителя, проходящего по межтрубному пространству:

где d – наружный диаметр трубы = 0,02м.

а) S- площадь межтрубного пространства, - это площадь сечения потока в межтрубном пространстве, определяется из таблицы (2, с.51 )

S= 0.016 м²

б) Определяем критерий Прандтля:

в) При движении теплоносителя в межтрубном пространстве кожухотрубных теплообменников:

Определим коэффициент теплопередачи для чистой стенки:

где d= 0,002м – толщина труб;

   17,5 – коэффициент теплопроводности для нержавеющей стали           (материл труб)

К = К_чист ∙ φ

К = 581,4 ∙ 0,75 = 436,05 Вт/см²∙К,

где  = 0,75

2.4 Требуемая поверхность составит:

 2.5 Из таблицы 2.3 следует, что из выбранного ряда подходит теплообменник с трубами длиной 3 м и номинальной поверхностью 17м². При этом запас составит:

Вывод: данный теплообменник выбран верно так как обеспечит необходимые условия и требования.

2.6 Определяем общую высоту теплообменника:

Н = L + 2h,

где L – длина трубы = 3,0м

h – высота двух распределительных камер берется 200-400 мм (среднее значение

Н = 3,0 + 2∙0,3 = 3,6м

3 Гидравлический расчет

3.1 Гидравлический расчет – это определение величины гидравлического сопротивления аппарата, которое складывается из гидравлического сопротивления в трубном пространстве и гидравлического сопротивления в межтрубном пространстве.

Расчет гидравлического сопротивления трубного пространства
рассчитывают по формуле:

                                                                                                                  (1, с.31)

где λ- коэффициент трения;

   ℓ = L z длина пути жидкости, м;

L – длина труб в теплообменнике (см. справочник), м;

z - число ходов;

d – внутренний диаметр труб, м;

 - скорость жидкости в трубе, м/с;

где S – площадь сечения трубного пространства, м²

где n – число труб

Коэффициент местных сопротивлений потоку, движущейся в трубном пространстве;

Е трения 1=1,5 – входная и выходная камера;

Е трения 2 = 2,5 - поворот между ходами;

Е трения 3= 1 – вход в трубы и выход из них.

а) Рассчитываем коэффициент трения для трубного пространства:    

                                                                                                 (1, с.30)

б) определяем скорость теплоносителя в трубном пространстве по     формуле: 

                                                                                                       (1, с.30)

где S – площадь сечения трубного пространства, м²

3.2 Рассчитаем сопротивление в межтрубном пространстве по формуле:

                                                                                                               (4, с. 69),

где m - число рядов труб в межтрубном пространстве, определяется по

   формуле:

где n – число труб;

  x – число сегментных перегородок (таблица 2.7 [1 с.56]
округлим в большую сторону m = 3

X_min = 18

X_min + 1

X_max = 18+1

X_max = 19

Сопротивление трубного пучка при его поперечном обтекании в межтрубном пространстве имеет следующие местные сопротивления.

Е₁ = 1,5 – входная и выходная камера

3.3 Диаметры входных и выходных штуцеров берем из таблицы 2.6 [1 с.55]. Для данного теплообменника диаметра штуцеров = 100 мм.

Рассчитаем скорость бензола в штуцерах по формуле:

Рассчитаем скорость воды в штуцерах по формуле:

Гидравлический расчет проводится с целью определения мощности, необходимой для перемещения теплоносителя, то есть для выбора насоса.

Мощность, затраченная на преодоление гидравлического сопротивления определяется по формуле:
                                                                                   (1, с.28)

где V - расход теплоносителя (V = ), м³/с;

ΔР – потеря напора, Па;

η – КПД (0,75-0,9); %

2019-11-13

267

Обсуждений (0)

Расчет кожухотрубного теплообменника 0.00 из 5.00 0 оценок

Скачать документ