Размещено на http://www.allbest.ru/

Теплообменными аппаратами называют устройства, предназначенные для передачи тепла от одного теплоносителя к другому, а также осуществления различных технологических процессов: нагревание, охлаждения, кипения, конденсации и другие. Среда, отдающая тепло, называется первичным теплоносителем, воспринимающая тепло - вторичным.

По принципу действия теплообменники делятся на рекуперативные, регенеративные, смесительные и с внутренними источниками тепла.

Рекуперативными называются теплообменники, у которых переход тепла от первичного теплоносителя ко вторичному происходит через разделительную стенку. Теплопередача при этом может осуществляться конвекцией, лучеиспусканием и теплопроводностью. Условно процесс теплопередачи можно считать стационарным. Частный пример рекуперативного теплообменного аппарата по компоновке является теплообменник типа "труба в трубе".

Регенеративными называются теплообменники, в которых оба теплоносителя попеременно отмывают одну и ту же поверхность аппарата. Стенки регенератора сначала воспринимают тепло от первичного теплоносителя и нагревателя, затем отдаёт аккумулированное тепло вторичному теплоносителю и охлаждается. В связи с тем, что стенка периодически нагревается и охлаждается, величина воспринимаемого и отдаваемого тепла изменяется в течение времени, и процесс теплообмена считается нестационарным.

Смесительными называются теплообменники, в которых передача тепла от первичного теплоносителя ко вторичному осуществляется при непосредственном их контакте и сопровождается массообменном (частичным или полным смешением теплоносителей).

Теплообменниками с внутренними источниками тепла называются те, в которых вторичный теплоноситель воспринимает тепло, полученное в самом аппарате. Первичный теплоноситель как среда отсутствует.

Основными требованиями являются: обеспечение наиболее высокого коэффициента теплопередачи при возможно меньшем гидравлическом сопротивлении; компактность и наименьший расход материалов, надежность и герметичность в сочетании с разборностью и доступностью поверхности теплообмена для механической очистки её от загрязнений; унификация узлов и деталей; технологичность механизированного изготовления широких рядов поверхностей теплообмена для различного диапазона рабочих температур, давлений и другие.

При созданиях новых, более эффективных теплообменных аппаратов стремятся, во-первых, уменьшить удельные затраты материалов, труда, средств и затрачиваемый при работе энергии по сравнению с теми же показателями существующих теплообменников. Удельными затратами для теплообменных аппаратов называют затраты, отнесенные к тепловой производительности в заданных условиях, во-вторых, повысить интенсивность и эффективность работы аппарата.

Интенсивностью процесса или удельной тепловой производительностью теплообменного аппарата нназывается количество теплоты, передаваемого в единицу времени через единицу поверхности теплообмена при заданном тепловом режиме.

Интенсивность процесса теплообмена характеризуется коэффициентом теплопередачи k. На интенсивность и эффективность влияют также форма поверхности теплообмена; эквивалентный диаметр и компоновка каналов, обеспечивающие оптимальные скорости движения сред; средний температурный напор; наличие турбулизирующих элементов в каналах; оребрение и т.д.

Кроме конструктивных методов интенсификации процесса теплообмена существует режимные методы, связанные с изменением гидродинамических параметров и режима течения жидкости у поверхности теплообмена. Режимные методы включают: подвод колебаний к поверхности теплообмена, создание пульсации потоков, вдувание газа в поток либо отсос рабочей среды через пористую стенку, наложении электрических или магнитных полей на поток, предотвращения загрязнений поверхности теплообмена путем сильной турбулизации потока и т.д.

Исходные данные

	Вариант задания	56
	Тип теплообменного аппарата	Кожухотрубный круглого сечения, горизонтальный
	Греющий теплоноситель	Вода
	Нагреваемый теплоноситель	Вода
	Материал труб	Латунь
	Греющий теплоноситель движется	В межтрубном пространстве
	Схема движения теплоносителя	Противоток
		Греющий т/н (индекс "1")	Нагреваемый т/н (индекс "2")
	Расход теплоносителя		40	22
	Начальная температура		Определяется расчётом	15
	Конечная температура		Определяется расчётом	70
	Давление теплоносителя		1,0	-

1. Задание на расчётно-графическую работу.

1.1. Выполнить конструктивный расчёт ТА.

1.2. Определить площадь поверхности теплообмена, число ходов нагреваемого теплоносителя, число трубок на 1 ход и на весь аппарат, длину труб, диаметры входных и выходных патрубков для обоих теплоносителей.

1.3. Определить площадь сечения для прохода нагреваемого теплоносителя.

1.4. Определить тепловой поток по уравнению теплового баланса и расход греющего теплоносителя.

1.5. Определить температуру греющего теплоносителя на выходе из теплообменного аппарата.

1.6. Рассчитать средний температурный напор.

1.7. Рассчитать коэффициенты теплообмена со стороны обоих теплоносителей и определить коэффициент теплопередачи для плоской стенки.

1.8. Рассчитать плотность теплового потока значение температуры стенки трубок.

1.9. Вычертить схему ТА с указанием основным размеров.

2. Конструктивный расчёт теплообменного аппарата.

2.1. Тепловой расчёт

2.1.1. Определяю среднеарифметическую температуру нагреваемого теплоносителя:

2.1.2. Термодинамические показатели воды [3]:

Температура, ?С Показатель	42	43	42,5
Теплопроводность,		632,6	633,9	633,25
Истинная изобарная теплоёмкость,		4,187	4,186	4,1865
Число Прандля,				4,1792
Плотность,		991,4	991	991,2
Кинематическая вязкость,
Динамическая вязкость,

2.1.3. Определяю количество переданной теплоты:

2.1.4. Определяю температуру греющего теплоносителя на входе. По условию её следует принять на 10 К ниже температуры насыщения при заданном давлении. При давлении в 1,0 МПа температура насыщенного водяного пара 179,9єС. [3] Тогда необходимая мне температура при данном давлении по условию будет составлять 169,9єС ?170 єС.

2.1.5. Определяю температуру греющего теплоносителя на выходе по формуле [9], истинная массовая изобарная теплоёмкость воды, согласно [3 стр.68], равна 4,37 . Тогда

2.1.6. Определяю среднеарифметическую температуру греющего теплоносителя:

2.1.7. Термодинамические показатели воды:

Температура, ?С Показатель	150	160	155
Теплопроводность,		632,6	633,9	633,25
Истинная изобарная теплоёмкость,		4,308	4,337	4,3225
Число Прандля,		1,15	1,08	1,115
Плотность,		917,1	907,5	912,3
Кинематическая вязкость,		-	-
Динамическая вязкость,

2.1.8. Определяем площадь проходного сечения для нагреваемого теплоносителя и подберём ТА. Согласно условия принимаю скорость движения теплоносителя 1,5 м/с.

Исходя из рекомендации, согласно [9], что для чистых и маловязких жидкостей рекомендуется использовать трубки диаметром 16-38 мм, зададимся предварительным наружным диаметром трубок в 19 мм и из стандартных диаметров.

Согласно ГОСТ 8734-78 выбираю трубу

И рассчитаем общее число труб в теплообменном аппарате:

(шт.)

Из стандартных ТА выбираю одноходовой ТА с числом трубок в 69 штук и внутренним диаметром кожуха в 211 мм.

2.1.9. Определим площадь проходного сечения и условный диаметр необходимый для греющего теплоносителя:

2.1.10. Уточнённая скорость движения греющего теплоносителя.

Согласно [1] из условия турбулентности режима течения теплоносителя рекомендуется принимать значение скорости для маловязких жидкостей и воды в пределах 1-3 м/с.

2.1.11. Критерий Рейнольдса для потока греющего теплоносителя.

2.1.12. Т.к. температура стенки неизвестна, то в первом приближении задаёмся её значением:

,

2.1.13. Критерий Прандтля по температуре стенки:

2.1.14. Критерий Нуссельта со стороны греющего теплоносителя [1], [9]:

2.1.15. Теоретический коэффициент теплоотдачи от греющего теплоносителя к стенке трубы:

2.1.16. Критерий Рейнольдса для потока нагреваемого теплоносителя:

2.1.17. Принимаем в первом приближении температуру стенки со стороны нагреваемого теплоносителя:

2.1.18. Критерий Прандтля по температуре стенки

2.1.19. Критерий Нуссельта со стороны нагреваемого теплоносителя [1]:

2.1.20. Теоретический коэффициент теплоотдачи от стенки к нагреваемому теплоносителю:

2.1.21. Коэффициент теплопередачи:

2.1.22. Наименьший температурный напор:

2.1.23. Наибольший температурный напор

,

2.1.24. Среднелогарифмический температурный напор для перекрёстного тока определяется формулой [9]:

2.1.25. Плотность теплового потока

2.1.26. Площадь поверхности нагрева

2.1.27. Определим теоретическую площадь поверхности нагрева, исходя из технических данных теплообменного аппарата и подберём такую длину труб из стандартного ряда, чтобы отклонения были минимальными, учитывая тот факт, что согласно [9], она может быть до 4,5 метров:

,

Таким образом, имеем запас в 5%.

2.2. Гидравлический расчёт [8]

Все гидравлические потери энергии делятся на два типа: потери на трение по длине трубопроводов и местные потери, вызванные такими элементами трубопроводов, в которых вследствие изменения размеров или конфигурации русла происходит изменение скорости потока, отрыв потока от стенок русла и возникновение вихреобразования. Простейшие местные гидравлические сопротивления можно разделить на расширения, сужения и повороты русла, каждое из которых может быть внезапным или постепенным. Более сложные случаи местного сопротивления представляют собой соединения или комбинации перечисленных простейших сопротивлений.

Таблица.

"Местные сопротивления" [8]

Вид местного сопротивления	Значение безразмерного коэффициента о
Вход в трубу при острых кромках	0,5
Вход в трубу при скругленных кромках	0,05 - 0,2
Вход в трубу, снабжённый приёмной сеткой и клапаном	5-10
Переходный расширяющийся конус	1,5
Переходный сужающийся конус	0,1
Выход трубы под уровень	1,0
Резкий поворот трубы (колено) на 90°	1,1
Плавный поворот трубы (отвод) на 90є	0,15
Предохранители и обратные клапаны	2-3
Входная или выходная камера (удар и поворот)	1,5
Поворот на 180° из одной секции в другую через промежуточную камеру	2,5
Поворот на 180° в U - образной трубке	0,5
Выход из межтрубного пространства под углом 90є	1,0

Гидравлическое сопротивление в трубном и межтрубном пространстве складывается потерь на трение и местных сопротивлений.

где л - формула Альтшуля, для турбулентного движения в гладких трубах, Уж - сумма коэффициентов учитывающих разные местные сопротивления,

где Д_э - эквивалентная абсолютная шероховатость.

Таблица

"Значения эквивалентной абсолютной шероховатости"

Материал	Значение Дэ
Стекло	0
Трубы, тянутые из латуни, свинца, меди	0…0,002
Высококачественные бесшовные стальные трубы	0,06…0,2
Стальные трубы	0,1…0,5
Чугунные асфальтированные трубы	0,1…0,2
Чугунные трубы	0,2…1,0

2.2.1 Расчёт гидравлического сопротивления нагреваемого теплоносителя.

Сумма коэффициентов учитывающих разные местные сопротивления, в частности для трубного пространства характерны местные сопротивления вида: "вход в трубу", "выход из трубы", "внезапное расширение", "внезапное сужение", "поворот потока".

2.2.2 Расчёт гидравлического сопротивления греющего теплоносителя.

Сумма коэффициентов учитывающих разные местные сопротивления, в частности для трубного пространства характерны местные сопротивления вида: "вход в трубу", "выход из трубы", где таких местных сопротивлений n штук (n - количество трубок).

2.3. Механический расчёт

2.3.1. Механический расчет теплообменного аппарата состоит из проверки на прочность отдельных узлов и деталей, и сводится к определению их номинальных расчетных размеров (толщины стенок, фланцев и т.п.), которые должны обеспечить им необходимую долговечность. Для изготовления труб используют латунь марок ЛО70 и ЛО-68 [2] [6].

Таблица

"Механические, физические и технологические свойства сплавов медно-цинковых, обрабатываемых давлением"

Свойства	Марка латуни
	ЛО70	ЛО-68
Температура плавления, єС ликвидус солидус	950 915	938 909
Плотность, г/см3	8,53	8,48
Коэффициент линейного расширения	19,9	20
Модуль упругости, кгс/мм2	11200	10500
Предел прочности при растяжении, кгс/мм2	68	33
Относительное удлинение, %	3	5,2

Толщина стенки, работающая под внутренним давлением, определяется по формуле:

где у_{доп -} допускаемое напряжение, кгс/мм²

с - расчётное давление в аппарате, кгс/см²

ц - коэффициент прочности сварного шва (1,0);

с - увеличение для компенсации коррозии и эрозии (1,5);

2.3.2. Расчёт на прочность стенки греющего теплоносителя:

Таким образом, толщина стенок ТА должна быть не менее 13 мм.

2.3.3. Расчёт на прочность стенки нагреваемого теплоносителя:

Таким образом, толщина трубок должна быть не менее 3 мм

теплообменный аппарат рекуперативный тепловой

Заключение

В процессе выполнения конструктивного расчёта рекуперативного теплообменного аппарата (тепловой расчёт, гидравлический расчёт, механический расчёт) были определены геометрические размеры теплообменника, рассчитан средний коэффициент теплообмена, произведён расчёт на прочность труб по давлению.

Можно утверждать, что мною произведён расчёт рекуперативного теплообменного аппарата с поверхностью теплообмена 11,8 м², средний коэффициент теплопередачи составляет 4280 Вт/м²·К.

Расчёт на прочность показал, что стенки труб требуемое давление в 1 МПа выдержат.

Список использованных источников

1. Бакластов А.М. Промышленные тепломассообменные процессы и установки. Учебник для ВУЗов / Горбенко В.А., Данилов О.Л. - М; "Энергоатомиздат", 1986. - 328 с.

2. Цыганков А.С. Расчёты теплообменных аппаратов / - Ленинград.; Государственное союзное издательство судостроительной промышленности, 1956. - 263 с.

3. Ривкин С.Л. Таблицы тепло-физических свойств воды и водяного пара / Александров А.А. - М; "Энергия", 197. - 80 с.

4. Григорьев В.А. Краткий справочник по теплообменным аппаратам / Колач Т.А., Соколовский В.С., Темкин Р.М. - М. - Л.; Государственное энергетическое издательство, 1962. - 108-112 с.

5. Мозжухин А.Б. Расчёт теплообменника: методические указания / Е.А. Сергеева - Тамбов.; "ТГТУ", 2007. - 32 с.

6. Келоглу Ю.П. Справочник по металлам и сплавам / Захаровский К.М., Карташевская М.И. - Кишинёв; "Карта Молдавеляскэ", 1977. - 228-242 с.

7. ГОСТ 494-90 "Трубы латунные".

8. Михневич А.В. Гидравлические расчёты в теплоэнергетике. Теория и задачи / Рыхтер О.Л., Михневич Н.Н. - Минск.; УП "Технопринт", 2000. - 276 с.

9. Иоффе И.Л. Проектирование процессов и аппаратов химической технологии: учебник для техникумов / - Ленинград.; "Химия", 1991. - 352 с.

Приложение 1

Рисунок "Эскиз теплообменного аппарата"

Размещено на Allbest.ru