Кожухотрубний теплообмінник

3

Академія муніципального управління

Кафедра управління міським господарством

Пояснювальна записка

до курсового проекту з дисципліни «Виробничі процеси та обладнання об'єктів автоматизації»

на тему: «Кожухотрубний теплообмінник»

Проектант: студентка групи АТ - 42

Ратушна Наталія Василівна

Керівник проекту: доц.Вендичанський В.Н.

Київ - 2008

Зміст

1. Загальне описання кожухотрубного теплообмінника

2. Тепловий розрахунок кожухотрубного теплообмінника

3. Уточнюючий розрахунок кожухотрубного теплообмінника

4. Гідравлічний розрахунок кожухотрубного теплообмінника

5. Література

Додатки

1. Загальне описання кожухотрубного теплообмінника

Кожухотрубні теплообмінники: дуже поширені в різних сферах промисловості, дають можливість створювати великі поверхні теплообміну в одному апараті, прості у виготовленні і надійні в експлуатації.

Через малу швидкість руху теплоносіїв одноходові теплообмінники працюють з низьким коефіцієнтом тепловіддачі. Щоб збільшити швидкість руху теплоносіїв, застосовують багатоходові теплообмінники, в яких пучок труб за допомогою поперечних перегородок, встановлених у кришках, розділений на кілька секцій, по яких теплоносій проходить послідовно.

З двох теплоносіїв, що рухаються в трубах і в між трубному просторі, треба в першу чергу того, в якого при теплообміні вищій термічний опір.

Труби в трубних решітках розміщують переважно по периметру правильного шестикутника.

При проектуванні кожухотрубних теплообмінників теплоносій, що найбільше забруднює поверхню теплообміну, спрямовують у труби які легше очищати.

Незважаючи на те, що теплообмінні апарати розрізняють за принципом дії, будовою, типом теплоносіїв і призначенням, можна сформувати ще й основні вимоги теплового, гідродинамічного, експлуатаційного і технічного характеру, які треба враховувати при виборі типу, розрахунку і конструктивній розробці теплообмінної апаратури.

В одноходових кожухотрубних теплообмінниках досить великої швидкості в трубах, а також, і високого коефіцієнта тепловіддачі можливо досягти тільки при значних витратах середовища, що в них рухається. Це пояснюється відносно великим сумарним поперечним перерізом труб. Тому такі апарати застосовують, коли швидкість процесу визначається, величиною коефіцієнта тепловіддачі в між трубному просторі, а також як кип'ятильники.

Теплообмінники ”труба в трубі” застосовують при незначних кількостях теплоносіїв для теплообміну між двома рідинами між рідиною та парою, що конденсуються. Ці апарати прості, їх легко виготовляти, вони дають можливість здійснити чисту протитечію і досягти високих швидкостей руху для теплоносіїв. Поте при значних теплових навантаженнях вони громіздкі і матеріаломісткі.

Заглибні теплообмінники використовують як холодильники, зокрема для теплоносіїв, що спричиняють корозію апаратури і як конденсатори.

Спіральні та пластичні теплообмінники використовують у випадку теплообміну між двома рідинами, а також між рідиною та парою, що конденсуються. Вони компактні, інтенсивність теплообміну в них висока.

Ребристі теплообмінники призначені переважно для теплообміну між газом і рідиною або парою.

Різноманітність конструкцій теплообмінників, а також вимог, які до них ставляться, утруднюють вибір апаратів для різних конкретних умов перебігу процесу. Звичайно жодна з конструкцій не відповідає цілком усім вимогам і доводиться обмежуватись виробом такої, яка задовольняє лише основні вимоги.

Оболонкові теплообмінники (переважно періодичної дії) застосовують при малих теплових навантаженнях для охолодження або нагрівання в'язких рідин і середовищ, які активно хімічно впливають на матеріал поверхні теплообміну.

Теплообмінні апарати усіх типів повинні працювати в оптимальних теплових режимах, які відповідають поєднанню заданої продуктивності та інших показників технологічного процесу з мінімальною витратою тепла.

Таблиця 1.

№	Назва параметру	Позначення	Одиниці	Варіант
1.	Продуктивність по рідині (витрати)	G1	кг/с	6,4
2.	Початкова температура рідини			106,5
3.	Кінцева температура органічної рідини			32
4.	Густина органічної рідини			969
5.	Коефіцієнт теплопровідності			0,671
6.	Динамічна в'язкість			0,00054
7.	Питома теплоємність органічної рідини			4179
8.	Коефіцієнт об'ємного розширення рідини			0,00048
9.	Початкова температура охолоджувальної води			22
10.	Кінцева температура охолоджувальної води			43
11.	Початкове орієнтовне значення критерій Рейнольдса для органічної рідини.		-	15000
12.	Теплопровідність нержавіючої сталі			17,5

2. Тепловий розрахунок кожухотрубного теплообмінника

2.1 Визначення теплового навантаження

Q₁=G₁·C₁(t_1п - t_1к), Вт.

де: Q₁ - кількість тепла, яке віддав гарячий теплоносій, Вт;

G₁ - продуктивність по рідині (витрати), кг?с;

C₁ - середня питома теплоємність гарячого теплоносія, дж?кг·град

t_1п, t_1к - температури теплоносія на вході в апараті на виході з нього, ?С.

Q₁= 6, 4•4179• (106, 5 - 32) = 1,993•10³ Дж?с (Вт)

2.2 Баланс тепла

Q₁ = Q₂

Значення для холодного теплоносія:

Питома теплоємність води -

Густина води -

Теплопровідність води -

Динамічна в'язкість -

2.3 Визначення навантаження холодного теплоносія

>

2.4. Середня різниця температур

де: t_1П, t_1К - початкова і кінцева температура органічної рідини;

t_2П, t_2К - початкова і кінцева температура холодної води.

?t_П = 106,5 - 43 = 63,5?

?t_К = 32 - 22 = 10?

2.5 Середня логарифмічна різниця температур в теплообміннику

Де - різниця температур між теплоносіями на кінцях теплообмінника.

2.6 Визначаємо загальну кількість труб в теплообміннику та кількість ходів

Приймаємо критерій Рейнольда рівним R_Е1=15000



2.7 Вибираємо орієнтоване значення коефіцієнта теплопередачі

К_ор =800 Вт/м²·К.

2.8. Вираховуємо поправку до середньої логарифмічної температури

2.9 Орієнтировочна площа складатиме

2.10 Вибираємо 3 значення, які нам підходять, щоб площа нагріву була наближено до

а)116

D=800мм - діаметр кожуха;

d=20х2мм - діаметр труб;

z=6 - число ходів;

n=618 - число трубок;

L=3м - довжина труб;

б)120

D=800мм - діаметр кожуха;

d=20х2мм - діаметр труб;

z=4 - число ходів;

n=638 - число трубок;

L=3м - довжина труб;

в)121

D=800мм - діаметр кожуха;

d=25х2мм - діаметр труб;

z=6 - число ходів;

n=384 - число трубок;

L=4м - довжина труб;

3. Уточнюючий розрахунок кожухотрубного теплообмінника

а) Розрахуємо уточнюючий розрахунок для =116:

1. Розраховуємо значення критерію Рейнольца для органічної речовини для =116.:

D=800мм - діаметр кожуха;

d=20х2мм - діаметр труб;

z=6 - число ходів;

n=618 - число трубок;

L=3м - довжина труб;

;

де: G₁ - продуктивність по рідині (витрати), кг?с;

d - внутрішній діаметр труб, який дорівнює 0,016мм;

n - число трубок;

z - число ходів;

?₁ - динамічна в'язкість, Па•с.

2. Розраховуємо значення критерію Прандтля для органічної речовини:

;

де: С₁ - середня питома теплоємність гарячого теплоносія, дж?кг·град;

?₁ - динамічна в'язкість, Па•с.

?₁ - коефіцієнт теплопровідності, Вт?м•К.

3. Розраховуємо значення критерію Нуссельта для органічної речовини:

4. Визначаємо коефіцієнт тепловіддачі для органічної рідини:

Визначимо площу перерізу між трубного перерізу F=0,07м².

5. Розраховуємо значення критерії Рейнольца для холодної води:

де: G₂ - навантаження холодного теплоносія, кг?с,

d_зов - зовнішній діаметр труб, який дорівнює 0,020мм;

?₂ - динамічна в'язкість (для холодного теплоносія), Па•с.

6. Розраховуємо значення критерії Прандтля для води:

С₂ - середня питома теплоємність холодного теплоносія, дж?кг·град

7. Визначаємо коефіцієнт тепловіддачі для води:

Pr₂

8. Вибираємо забрудненість стінок:

9. Визначаємо сумарний термічний опір стінок:

10. Коефіцієнт теплопередачі дорівнює:

11. В наслідок чого визначаємо реальну поверхню теплообміну:

12. Звідси маємо, що:

> ,

Тоді, F = 155м², L = 4м

Визначаємо масу теплообмінника, т = 4350кг.

б) Розрахуємо уточнюючий розрахунок для =120:

1. Розраховуємо значення критерію Рейнольца для органічної речовини для =120:

D = 800мм - діаметр кожуха;

d = 20х2мм - діаметр труб;

z = 4 - число ходів;

n = 638 - число трубок;

L = 3м - довжина труб.

;

де: G₁ - продуктивність по рідині (витрати), кг?с;

d - внутрішній діаметр труб, який дорівнює 0,016мм;

n - число трубок;

z - число ходів;

?₁ - динамічна в'язкість, Па•с.

2. Розраховуємо значення критерію Прандтля для органічної речовини:

;

де: С₁ - середня питома теплоємність гарячого теплоносія, дж?кг·град;

?₁ - динамічна в'язкість, Па•с.

?₁ - коефіцієнт теплопровідності, Вт?м•К.

3. Розраховуємо значення критерію Нуссельта для органічної речовини:

4. Визначаємо коефіцієнт тепловіддачі для органічної рідини:

Визначимо площу перерізу між трубного перерізу F=0,07м².

5. Розраховуємо значення критерії Рейнольца для холодної води:

де: G₂ - навантаження холодного теплоносія, кг?с,

d_зов - зовнішній діаметр труб, який дорівнює 0,020мм;

?₂ - динамічна в'язкість (для холодного теплоносія), Па•с.

6. Розраховуємо значення критерії Прандтля для води:

С₂ - середня питома теплоємність холодного теплоносія, дж?кг·град

7. Визначаємо коефіцієнт тепловіддачі для води:

Pr₂

8. Вибираємо забрудненість стінок:

9. Визначаємо сумарний термічний опір стінок:

10. Коефіцієнт теплопередачі дорівнює:

11. В наслідок чого визначаємо реальну поверхню теплообміну:

12. Звідси маємо, що

> ,

Тоді, F = 240м², L = 6м

Визначаємо масу теплообмінника, т = 5950 кг.

в) Розрахуємо уточнюючий розрахунок для =121:

1. Розраховуємо значення критерію Рейнольца для органічної речовини для =121:

D=800мм - діаметр кожуха;

d=25х2мм - діаметр труб;

z=6 - число ходів;

n=384 - число трубок;

L=4м - довжина труб;

;

де: G₁ - продуктивність по рідині (витрати), кг?с;

d - внутрішній діаметр труб, який дорівнює 0,021мм;

n - число трубок;

z - число ходів;

?₁ - динамічна в'язкість, Па•с.

2. Розраховуємо значення критерію Прандтля для органічної речовини:

;

де: С₁ - середня питома теплоємність гарячого теплоносія, дж?кг·град;

?₁ - динамічна в'язкість, Па•с.

?₁ - коефіцієнт теплопровідності, Вт?м•К.

3. Розраховуємо значення критерію Нуссельта для органічної речовини:

4. Визначаємо коефіцієнт тепловіддачі для органічної рідини:

Визначимо площу перерізу між трубного перерізу F=0,07м².

5. Розраховуємо значення критерії Рейнольца для холодної води:

де: G₂ - навантаження холодного теплоносія, кг?с,

d_зов - зовнішній діаметр труб, який дорівнює 0,020мм;

?₂ - динамічна в'язкість (для холодного теплоносія), Па•с.

6. Розраховуємо значення критерії Прандтля для води:

С₂ - середня питома теплоємність холодного теплоносія, дж?кг·град

7. Визначаємо коефіцієнт тепловіддачі для води:

Pr₂

8. Вибираємо забрудненість стінок:

9. Визначаємо сумарний термічний опір стінок:

10. Коефіцієнт теплопередачі дорівнює:

11. В наслідок чого визначаємо реальну поверхню теплообміну:

12. Звідси маємо, що

> ,

Тоді, F = 181м², L = 6м

Визначаємо масу теплообмінника, т = 5360.

4. Гідравлічний розрахунок

а) Розрахуємо гідравлічний розрахунок для =116:

1. Визначимо швидкість гарячого теплоносія в трубному просторі:

,

де: - витрати гарячого теплоносія,

- внутрішній діаметр труб,

- густина гарячого теплоносія,

- швидкість гарячого теплоносія,

- число труб

- число ходів

2. Коефіцієнт тертя визначається з формули:

де: - шороховатість поверхні в трубопроводі,

- коефіцієнт тертя

- внутрішній діаметр труби,

- критерій Рейнольда

3. Коефіцієнти місцевих опорів потоку, що рухається в трубному просторі складають:

- вхідна і вихідна камери

- поворот між ходами

- вхід в труби і вихід із них

4. Діаметр патрубка для трубного простору:

5. Швидкість гарячого теплоносія в патрубку:

,

6. Швидкість холодного теплоносія в між трубному просторі:

,

де: - густина холодного теплоносія

- площа перерізу потоку в вирізі перегородки

- швидкість холодного теплоносія

7. Площа перерізу потоку в вирізі перегородки:

8. Діаметр патрубка для між трубного простору:

9. Швидкість холодного теплоносія в патрубку:

,

10. Коефіцієнти місцевих опорів потоку, який рухається в між трубному просторі:

- вхід і вихід рідини

- поворот при проходженні сегментної перегородки

,

де: - опір рядів труб

- число рядів труб

- критерій Рейнольда

11. Визначаємо кількість сегментних перегородок:

12. Розрахункова формула для визначення витрати тиску в трубному просторі має вигляд:

13. Розрахункова формула для визначення витрати тиску в міжтрубному просторі має вигляд:

б) Розрахуємо гідравлічний розрахунок для =120:

1. Визначимо швидкість гарячого теплоносія в трубному просторі:

,

де: - витрати гарячого теплоносія,

- внутрішній діаметр труб,

- густина гарячого теплоносія,

- швидкість гарячого теплоносія,

- число труб

- число ходів

2. Коефіцієнт тертя визначається з формули:

де: - шороховатість поверхні в трубопроводі,

- коефіцієнт тертя

- внутрішній діаметр труби,

- критерій Рейнольда

3. Коефіцієнти місцевих опорів потоку, що рухається в трубному просторі складають:

- вхідна і вихідна камери

- поворот між ходами

- вхід в труби і вихід із них

4. Діаметр патрубка для трубного простору:

5. Швидкість гарячого теплоносія в патрубку:

,

6. Швидкість холодного теплоносія в між трубному просторі:

,

де: - густина холодного теплоносія

- площа перерізу потоку в вирізі перегородки

- швидкість холодного теплоносія

7. Площа перерізу потоку в вирізі перегородки:

8. Діаметр патрубка для між трубного простору:

9. Швидкість холодного теплоносія в патрубку:

,

10. Коефіцієнти місцевих опорів потоку, який рухається в між трубному просторі:

- вхід і вихід рідини

- поворот при проходженні сегментної перегородки\

,

де: - опір рядів труб

- число рядів труб

- критерій Рейнольда

11. За табл. 6 визначаємо кількість сегментних перегородок:

12. Розрахункова формула для визначення витрати тиску в трубному просторі має вигляд:

13. Розрахункова формула для визначення витрати тиску в міжтрубному просторі має вигляд:

в) Розрахуємо гідравлічний розрахунок для =121:

1. Визначимо швидкість гарячого теплоносія в трубному просторі:

,

де: - витрати гарячого теплоносія,

- внутрішній діаметр труб,

- густина гарячого теплоносія,

- швидкість гарячого теплоносія,

- число труб

- число ходів

2. Коефіцієнт тертя визначається з формули:

де: - шороховатість поверхні в трубопроводі,

- коефіцієнт тертя

- внутрішній діаметр труби,

- критерій Рейнольда

3. Коефіцієнти місцевих опорів потоку, що рухається в трубному просторі складають:

- вхідна і вихідна камери

- поворот між ходами

- вхід в труби і вихід із них

4. Діаметр патрубка для трубного простору:

5. Швидкість гарячого теплоносія в патрубку:

,

6. Швидкість холодного теплоносія в між трубному просторі:

,

де: - густина холодного теплоносія

- площа перерізу потоку в вирізі перегородки

- швидкість холодного теплоносія

7. Площа перерізу потоку в вирізі перегородки:

8. Діаметр патрубка для між трубного простору:

9. Швидкість холодного теплоносія в патрубку:

,

10. Коефіцієнти місцевих опорів потоку, який рухається в між трубному просторі:

- вхід і вихід рідини

- поворот при проходженні сегментної перегородки

,

де: - опір рядів труб

- число рядів труб

- критерій Рейнольда



11. Визначаємо кількість сегментних перегородок:

12. Розрахункова формула для визначення витрати тиску в трубному просторі має вигляд:

13. Розрахункова формула для визначення витрати тиску в міжтрубному просторі має вигляд:

Проаналізувавши вище приведені розрахунки, ми вибрали теплообмінник, який найбільш вигідний, тобто, в якого найменша маса, найменша довжина труб, найменша площа, найменші витрати тиску в трубному і міжтрубному просторі.

Тобто теплообмінник, який має такі параметри:

Діаметр кожуха, D=800мм;

Діаметр труб,d=20?2мм;

Число ходів, n=618;

Загальна кількість труб, Z=6;

Площа теплообмінника, F=155м²;

Довжина труб, L=4м;

Маса теплообмінника, m=4350кг.

Кількість сегментних перегородок, х=8;

Діаметр патрубка в трубному просторі, d=200мм;

Діаметр патрубка в міжтрубному просторі, d=250мм;

Число рядів труб, m=15;

Витрати тиску в трубному просторі, ?Р_тр=4,737•10³Па;

Витрати тиску в міжтрубному просторі, ?Р_мтр=1,557•10³Па.

5. Література

1. Основные процессы и аппараты. Химические технологии. Под ред. док. тех. наук. Ю. И. Дитнерског М.: химия, 1999г. 273с.

2. Процессы и аппараты пищевых производств за редакциею проф. И.Е. Малежика. - К.: нухт, 2003.- 400с.