Расчет кожухотрубного водоводяного теплообменника

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство Образования и Науки российской Федерации

КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра химии и инженерной экологии в строительстве

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по дисциплине «Гидравлика и теплотехника»

«Расчет кожухотрубного водоводяного теплообменника»

Выполнил: ст. гр. 0ИЗ-301

Махиянова Лилия

Защищен:__________

С оценкой:_________

Принял: К.т.н., асс. каф. ХИЭС

__________ Куколева Д.А.

г. Казань, 2013 г.

СОДЕРЖАНИЕ

теплообменник кожухотрубный аппарат

Введение

1. Общие сведения о теплообменных аппаратах. Их классификация

1.1 Поверхностные теплообменники

1.2 Смесительные теплообменники

1.3 Кожухотрубный теплообменный аппарат

2. Классификация испарителей

3. Современные теплообменные аппараты

4. Расчет кожухотрубного водоводяного теплообменника

4.1 Теплотехнический расчет

4.2 Гидравлический расчет

Библиографический список

ВВЕДЕНИЕ

Теплообменными аппаратами, или теплообменниками, называются устройства для передачи тепла от одних сред (горячих теплоносителей) к другим (холодным теплоносителям). Теплообменные аппараты применяются для нагревания и охлаждения веществ в различных агрегатных состояниях, испарения жидкостей и конденсации паров, перегонки и сублимации, абсорбции и адсорбции, расплавления твердых тел и кристаллизации, отвода и подвода тепла при проведении экзо- и эндотермических реакций и т.д. Соответственно своему назначению теплообменные аппараты называют подогревателями, холодильниками, испарителями, конденсаторами, дистилляторами, сублиматорами, плавителями и т.п.

Теплообменник любой конструкции выполняет единственную функцию -- осуществление эффективной передачи тепла от одной среды к другой. Именно этим фактором измеряется экономический эффект, который приносит теплообменник.

Необходимо заметить, что теплообменник сам по себе, вне аппарата в котором он применяется, не является самостоятельным устройством. Поэтому очень важно, чтобы характеристики теплообменника максимально соответствовали характеристикам аппарата теплового оборудования. Это достигается правильностью выбора конструкции теплообменника и его расчёта, а также материалов, которые применяются при его изготовлении.

Современные технологии позволяют максимально оптимизировать процесс передачи тепла. Это происходит за счёт использования приборов автоматического регулирования температуры и уменьшения пути теплоносителя в теплообменнике.

Материалы, применяемые в современных теплообменниках, также позволяют надолго забыть о коррозии поверхностей. Это позволяет намного увеличить срок службы аппарата, в котором применяется теплообменник.

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТАХ. ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ

Теплообменники по способу передачи теплоты подразделяют на поверхностные, где отсутствует непосредственный контакт теплоносителей, а передача тепла происходит через твёрдую стенку, и смесительные где теплоносители контактируют непосредственно. Поверхностные теплообменники в свою очередь подразделяются на рекуперативные и регенеративные, в зависимости от одновременного или поочерёдного контакта теплоносителей с разделяющей их стенкой. Теплообменные аппараты поверхностного типа, кроме того классифицируются:

· по назначению (подогреватели, холодильники и т.д.);

· по взаимному направлению теплоносителей (прямоток, противоток, смешанный ток и т.д.);

· по материалу поверхности теплообмена; по числу ходов и т.д.

1.1 Поверхностные теплообменники

1) Рекуперативные теплообменники

Рекуперативный теплообменник -- теплообменник, в котором горячий и холодный теплоносители движутся в разных каналах, в стенке между которыми происходит теплообмен. При неизменных условиях параметры теплоносителей на входе и в любом из сечений каналов, остаются неизменными, независимыми от времени, т.е процесс теплопередачи имеет стационарный характер. Поэтому рекуперативные теплообменники называют также стационарными. Рекуператоры могут работать как в периодическом, так и в непрерывном режимах.

В зависимости от направления движения теплоносителей рекуперативные теплообменники могут быть прямоточными при параллельном движении в одном направлении, противоточными при параллельном встречном движении, а также перекрестноточными при взаимно перпендикулярном движении двух взаимодействующих сред.

Наиболее распространённые в промышленности рекуперативные теплообменники:

- кожухотрубные теплообменники,

- элементные (секционные) теплообменники,

- двухтрубные теплообменники типа "труба в трубе",

- витые теплообменники,

- погружные теплообменники,

- оросительные теплообменники,

- ребристые теплообменники,

- спиральные теплообменники,

- пластинчатые теплообменники,

- пластинчато-ребристые теплообменники,

- графитовые теплообменники.

2) Регенеративные теплообменники

В регенеративных поверхностных теплообменниках теплоносители (горячий и холодный) контактируют с твердой стенкой поочерёдно. Теплота накапливается в стенке при контакте с горячим теплоносителем и отдаётся при контакте с холодным. Регенераторы являются аппаратами периодического действия.

1.2 Смесительные теплообменники

Смесительный теплообменник (контактный теплообменник) -- теплообменник, предназначенный для осуществления тепло- и массообменных процессов путем прямого смешивания сред. Наиболее распространены пароводяные струйные аппараты ПСА -- теплообменники струйного типа, использующие в своей основе струйный инжектор. Смесительные теплообменники конструктивно устроены проще, нежели поверхностные, более полно используют тепло. Однако, пригодны они лишь в случаях, когда по технологическим условиям производства допустимо смешение рабочих сред.

Большое применение контактные теплообменники находят в установках утилизации тепла дымовых газов, отработанного пара и т.п.

1.3 Кожухотрубный теплообменный аппарат

Наиболее широкое распространение получили кожухотрубные теплообменные аппараты (Рис. 1), используемые для теплообмена между потоками в различных агрегатных состояниях (пар--жидкость, жидкость--жидкость, газ--газ, газ-- жидкость). Аппарат состоит из пучка труб, помещенного внутри цилиндрического корпуса (обечайки), сваренного из листовой стали, реже -- литого. Трубки завальцованы в двух трубных решетках или приварены к ним в зависимости от свойств конструкционных материалов. Трубки размещаются в пучке в шахматном порядке, по вершинам равностороннего треугольника, с шагом

s/d = (1,25--2,20),

где d -- наружный диаметр труб. Аппарат снабжен двумя съемными крышками со штуцерами для входа и выхода теплоносителя, движущегося внутри труб. Трубное и межтрубное пространства разобщены. Второй теплоноситель движется в межтрубном пространстве, снабженном входным и выходным штуцерами. По трубам движется, как правило, тот поток, который содержит взвешенные твердые частицы (для удобства чистки), находится под большим давлением (чтобы не утяжелять корпус) или обладает агрессивными свойствами (для предохранения корпуса от коррозии). Площадь проходного сечения межтрубного пространства значительно больше (иногда в 2 раза) суммарного живого сечения труб, поэтому при одинаковых объемных расходах теплоносителей коэффициент теплоотдачи со стороны межтрубного пространства оказывается более низким. Для устранения этого явления прибегают к увеличению скорости теплоносителя путем размещения различных перегородок в межтрубном пространстве. В кожухотрубных теплообменниках достигаются достаточно большие отношения теплообменной поверхности к объему и массе. Размеры поверхности теплообмена легко можно варьировать в широких пределах, конструкция имеет достаточную прочность и выдерживает нормальные нагрузки при сборке, перевозке и монтаже теплообменника, а также внутренние и внешние напряжения в обычных условиях эксплуатации. Очистка кожухотрубного теплообменника вызывает затруднений, а его элементы, наиболее подвержены коррозии, - прокладки и трубы - легко могут быть заменены. Конструктивные особенности позволяют применять этот тип почти во всех случаях, включая предельно низкие или высокие температуры и давления, большие градиенты температур, при испарении и конденсации и использовании сильно загрязненных и коррозионно-активных теплоносителей.

Трубы являются основным элементом, обеспечивающим теплопередачу между теплоносителем, протекающим внутри тубы и в межтрубном пространстве. Трубы могут быть либо гладкими, либо с невысокими ребрами снаружи. В последнем случае наружный диаметр ребра выбирается немного меньше, чем наружный диаметр неоребренных концов труб, что позволяет вставлять оребренные трубы через отверстия в трубной досках на каждом конце (за исключением U-образных труб, которые закрепляются только одной трубной доске). Трубы либо развальцовываются в трубной доске, либо привариваются к ним снаружи. В некоторых случаях при низких давлениях трубы просто вставляются в отверстия в трубных досках.

Трубная доска представляет собой металлический диск, в котором имеются отверстия для труб, элементов уплотнений, дистанционирующих решеток и крепежных болтов, если трубная доска привинчивается к фланцу кожуха (трубная доска может быть также приварена к кожуху).

Кожух имеет вид цилиндра, внутри которого помещены трубы и циркулирует теплоноситель. Кожух малого диаметра (до 0,6м) можно изготовить из трубы, обрезав ее до желаемой длины.

Теплоноситель поступает в кожух через входной патрубок и выходит через выходной. Чаще всего патрубки изготовляются из стандартных труб, которые привариваются к кожуху. Там, где требуются малые потери давления, равномерное распределение теплоносителя или защита от коррозии, применяются специальные конструкции. В тех случаях, когда в межтрубное пространство подается двухфазный поток или насыщенный пар, внутри кожуха за входным патрубком могут быть установлены отражающие пластины, имеющие несколько большие размеры, чем сечение патрубка.

Распределение теплоносителя по трубам осуществляется через коллекторы и патрубки. Поскольку теплоноситель, протекающий через трубы, в большей степени способствует коррозии, эти элементы могут быть изготовлены из сплавов или низкоуглеродистых сталей с наплавленным или нанесенным взрывом покрытием крышки сборного и распределительного коллектора прикрепляются таким образом, чтобы обеспечить без повреждений осмотр трубной доски и труб. Для теплоносителя, текущего по трубам, могут быть использованы вместо коллекторов завинчивающиеся крышки с боковыми патрубками.

Важным элементом большинства кожухотрубных теплообменников является набор перегородок. Они предохраняют трубы от изгиба и вибрации, а также направляют поток поперек труб для улучшения теплоотдачи(и, как следствие, увеличивают перепад давления).

2. КЛАССИФИКАЦИЯ ИСПАРИТЕЛЕЙ

Испарители классифицируют по наиболее характерным признакам. По характеру охлаждаемой среды (по назначению) различают испарители для охлаждения жидких хладоносителей и технологических продуктов; для охлаждения воздуха и газообразных технологических продуктов, т. е. когда происходит непосредственный теплообмен между охлаждаемым объектом и хладагентом; для охлаждения твердых технологических продуктов; испарители-конденсаторы.

В холодильной технике теплообменные аппараты, используемые для охлаждения жидких хладоносителей и жидких технологических продуктов, называют испарителями, а аппараты для охлаждения воздуха -- батареями и воздухоохладителями.

В зависимости от условий циркуляции охлаждаемой жидкости испарители могут быть закрытого или открытого типов. Испарителями закрытого типа называют испарители с закрытой системой циркуляции охлаждаемой жидкости, прокачиваемой насосом. К ним относятся кожухотрубные и кожухозмеевиковые испарители. Испарителями открытого типа называют испарители с открытым уровнем охлаждаемой жидкости, циркуляция которой создается мешалкой. К ним относятся вертикально-трубные и панельные испарители.

По характеру заполнения хладагентом испарители разделяют на затопленные и незатопленные. К последним относятся оросительный, кожухотрубный с кипением в трубах, а также змеевиковый испарители с верхней подачей жидкости.

Испарители также разделяют на группы в зависимости от того, на какой поверхности кипит хладагент: в межтрубном пространстве (кожухотрубные затопленные и оросительные) или внутри труб и каналов (кожухотрубные с кипением в трубах, вертикально-трубные и панельные). Последнее разделение важно с точки зрения выбора модели для расчета теплоотдачи кипящей жидкости.

Испарители с вертикальными трубами обладают рядом положительных свойств, в частности, при намораживании льда на поверхности труб не происходит разрушений, что важно при охлаждении воды в аккумуляторах. Недостатком этих аппаратов является большая металлоемкость и сложность сварочных работ.

Разновидностью испарителей с вертикальными трубами является панельный испаритель, состоящий из прямоугольного металлического или железобетонного бака, в который помещены испарительные секции панельного типа и мешалка, создающая циркуляцию хладоносителя. Использование панельных испарителей позволяет уменьшить массу на 25--30% (по сравнению с трубчатыми аппаратами), в 5--6 раз снизить расход бесшовных труб, стоимость которых почти втрое выше стоимости листового материала, уменьшить вместимость аппарата по хладагенту.

Наиболее эффективны испарители с трубами, имеющими одновременно внутреннее и наружное оребрение. При проектировании аппаратов с большой плотностью теплового потока необходимо обеспечивать интенсификацию теплообмена со стороны фреонов различными методами (использование насадок, турбувизирующих поток, оребрение, режимный метод интенсификации, переход к насосной подаче хладагента), уменьшающими термическое сопротивление со стороны хладагента.

Конкретный выбор типа аппарата зависит от относительной значимости отдельных факторов и назначения аппарата: стоимости изготовления аппарата (капитальные затраты), эксплуатационных расходов (особенно расходов на прокачку теплоносителя), возможности очистки аппарата, склонности к коррозии, разности рабочих давлений сред, опасностей, связанных с утечкой хладоносителя, рабочего диапазона температур, возможности возникновения вибрации труб, и появления усталостных повреждений.

Кожухотрубные аппараты соответственно местным условиям располагаются вертикально или горизонтально; при необходимости удлинения пути теплоносителей они могут соединяться последовательно, а при невозможности размещения требуемого числа труб в одном корпусе их соединяют параллельно, могут быть одно- , двух- , четырех- и шестиходовыми по трубному пространству. Трубы, кожух и другие элементы конструкции могут быть изготовлены из углеродистой или нержавеющей стали.

При конструкции различают теплообменники с неподвижными трубными решетками, в которых обе решетки жестко прикреплены к корпусу и трубы не могут свободно удлиняться, и теплообменники с компенсирующими устройствами, в которых трубы могут свободно удлиняться.

В теплообменниках с неподвижными трубными решетками при различном тепловом удлинении труб и кожуха возникают температурные напряжения; поэтому такие теплообменники применяют при небольшой разности температур между трубами и кожухом.

Для одноходовых теплообменников при сравнительно небольших расходах жидкости скорость её движения в трубах низка и, следовательно, коэффициенты теплоотдачи невелики. Для увеличения последних при данной поверхности теплообмена можно уменьшить диаметр труб, соответственно увеличив их высоту (длину). Однако теплообменники небольшого диаметра и значительной высоты не удобны для монтажа, требуют высоких помещений и повышенного расхода металла на изготовление деталей, не участвующих непосредственно в теплообменниках.



Рисунок 1. - Кожухотрубный теплообменный аппарат.

1 - корпус; 2 - трубы; 3 - трубные решетки; 4 - крышки; 5 - штуцеры для входа и выхода из трубного пространства; 6 - штуцеры для входа и выхода из межтрубного пространства; 7 - поперечные перегородки межтрубного пространства; 8, 9 - опорные липы соответственно при вертикальном и горизонтальном расположениях аппарата.

3. СОВРЕМЕННЫЕ ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ

В последние 3-4 года назойливая и настойчивая реклама сделала свое дело - на российский рынок бурным потоком хлынуло зарубежное оборудование. Однако все более очевидным становится то, что оно в ближайшее время не сможет найти широкое применение в России и не только потому, что оно очень дорого, а потому что Россия - страна с огромной разветвленной системой теплоснабжения. А для того, чтобы перейти на западные технологии, необходимо перейти на зарубежные показатели водно-химического режима, обеспечить прокладку тепловых сетей изолированными трубами с герметичным покрывным материалом и автоматической системой обнаружения утечек, иметь персонал высокой квалификации, иметь эффективные системы авторегулирования тепловой нагрузки и т.д.

Этого ничего нет, если не считать нескольких демонстрационных объектов, находящихся в Москве, Санкт-Петербурге и нескольких крупных городах России. Однако надо признать и то, что наше машиностроение на сегодняшний день не может предоставить полного набора энергоэффективного оборудования. Но положительные сдвиги в этом направлении появились.

В качестве примера можно привести теплообменное оборудование. В последние годы появились попытки широкого применения в типовых схемах теплоснабжения пластинчатых теплообменных аппаратов в качестве альтернативы кожухотрубным водоводяным теплообменникам, изготавливаемым по ГОСТ 27590-88.

Необходимо отметить, что оборудование, изготавливаемое по упомянутому ГОСТу, спроектировано на основе конструкторских решений 50-летней давности, морально устарело и имеет ряд серьезных недостатков:

- невысокая тепловая эффективность;

- значительные дополнительные гидравлические и тепловые потери на калачах и переходах;

- низкая ремонтопригодность;

- невозможность ремонта и полной очистки наружных поверхностей теплообменных труб и межтрубного пространства;

- размещение такого оборудования требует больших объемов и площадей.

Негативное отношение к такому виду оборудования усугубляется еще и тем, что ряд производителей, с целью снижения трудоемкости, не ставят перегородки в трубных пучках, что снижает и без того низкий коэффициент теплопередачи, а также ведет к быстрому выходу из строя этого оборудования из-за вибрационного истирания теплообменных труб между собой. Удивляет то, что на данный факт заказчик почти не обращает внимание.

Основные требования, которые должны быть предъявлены к отечественному водоводяному оборудованию, применяемому в обычных системах теплоснабжения, и которое по своим показателям технической эффективности и надежности не уступает отечественным и зарубежным аналогам, включая и пластичные теплообменники:

- уровень тепловой эффективности должен определять коэффициент теплопередачи не ниже 3500 ккал/(м2.ч.К) (- 4000 Вт/(м2.К));

- возможность очистки внутренних и наружных поверхностей теплообменных труб, а также межтрубного пространства в корпусе;

- ремонтопригодность, т.е. ремонт оборудования должен проводиться силами собственного персонала с использованием стандартного инструмента и доступного материала;

- надежность в переменных режимах работы и при возможных нарушениях нормальных условий эксплуатации (гидравлические удары, повышение тепловой нагрузки, ухудшение качества воды и т.д.);

- компактность и простота конструкции;

- обеспечение устранения деформации в водоводяных теплообменниках при разности температурных удлинений корпуса и теплообменных труб;

- невысокая цена.

Для обеспечения выполнения этих требований теплообменный аппарат должен быть: кожухотрубным, разборным, желательно однокорпусным, и в нем должны быть использованы новые, но проверенные конструкторские решения, обеспечивающие высокую тепловую эффективность. Надо сказать, что в этом направлении уже много сделано.

Еще в конце 80-х годов прошлого столетия специалистами НПО ЦКТИ и Саратовского завода энергетического машиностроения были спроектированы и изготовлены головные образцы новых водоводяных теплообменных аппаратов, предназначенных для охлаждения конденсата греющего пара подогревателей низкого давления систем регенерации паротурбинных установок, подогревателей сетевой воды, установленных на ГРЭС, ТЭЦ и АЭС. Испытание головных образцов проводилось на ТЭЦ-3 Ленэнерго. Результаты подтвердили высокую тепловую эффективность и надежность в эксплуатации, возможность ремонта на месте, простоту очистки и осмотра, малые габариты.

Следует отметить, уже тогда в решении Межведомственной комиссии по запуску в производство было рекомендовано использовать конструкцию охладителей конденсата для создания новых водоводяных теплообменников для систем теплоснабжения и горячего водоснабжения взамен секционных, изготавливаемых по ГОСТ 27590-88.

Специалистами вновь созданного ООО «Волгопромэнерго» была разработана новая серия малогабаритных, разборных водоводяных теплообменных аппаратов, в основу которых положены основные конструкторские решения, использованные при разработке однокорпусных охладителей конденсата. Обозначение новым теплообменным аппаратам присвоено ПВВР.

ПВВР - подогреватель водоводяной разборный. Корпуса всего номенклатурного ряда выполнены из серийно изготавливаемых труб диаметрами от 114 до 630 мм, рабочее давление не более 1,0 МПа (10 кгс/см2). Все подогреватели имеют единую длину трубных систем равную 2000 мм. На рисунке показана принципиальная схема подогревателя.

Рисунок 2. - Кожухотрубный теплообменник горизонтального типа.

1,4 - съемные передняя и задняя водяные камеры; 2 - корпус; 3 - трубная система; 5 - съемная крышка корпуса.

Корпус подогревателя - либо вальцованные обечайки, либо стальная труба. Трубная система состоит из двух стальных трубных досок с завальцованными в них прямыми латунными трубками диаметром 16 мм и толщиной 1 мм. Аппарат по движению жидкости в трубном пространстве - двухходовый, что позволяет повысить скорость воды до 2 м/сек.

К особенностям конструкции трубной системы можно отнести применение поперечных сегментных перегородок совместно с продольной, что делает движение жидкости в межтрубном пространстве многоходовым и поперечно-продольным, при этом скорость воды достигает 1,2-1,5 м/сек. Еще одной отличительной особенностью конструкции трубной системы является применение как гладких латунных труб, так и труб с профильной накаткой.

Передняя и задняя водяные камеры выполнены разъемными. Передняя водяная камера выполняет роль распределительной, задняя -поворотная. Задняя камера - плавающая, чем обеспечивается надежная компенсация температурных удлинений трубной системы. Передняя водяная камера крепится к корпусу с помощью фланцевого разъема, задняя водяная камера крепится к трубной доске с помощью специальных зажимов.

Конструкция уплотнения трубной доски с задней водяной камеры, позволяющая вынимать трубную систему из корпуса подогревателя, запатентована (патент № 1502947 от 23.08.89). Съемная крышка корпуса предназначена для доступа к задней водяной камере. Донышки на водяных камерах и крышке применены плоские.

Оптимизация условий теплообмена за счет применения проверенных конструкторских решений, позволяет повысить коэффициент теплопередачи подогревателя типа ПВВР на 30-35% по сравнению с секционными, а использование труб с профильной накаткой и до 50%. Для покрытия требуемой тепловой мощности подогреватели могут собираться в блок из 2-х или 3-х теплообменных аппаратов. Применение соединительных калачей не требуется, т.к. аппараты соединяются собственными патрубками.

4. РАСЧЕТ КОЖУХОТРУБНОГО ВОДОВОДЯНОГО ТЕПЛООБМЕННИКА

4.1 Теплотехнический расчет

Рассчитать и подобрать нормализованный кожухотрубчатый теплообменник для теплообмена между горячей и холодной водой. Расход горячей воды G₁=19 кг/с. Начальная температура горячей воды t_1н=104⁰С. Конечная температура горячей воды t_1к=40⁰С. Расход холодной воды G₂=31 кг/с. Начальная температура холодной воды t_2н=19⁰С.

1. Определение средней температуры горячей воды:

t_ср=(t_1н+t_1к)/2, (4.1.1)

t_ср=(104+40)/2=72⁰С,

где t_1н - начальная температура горячей воды,⁰С;

t_1к - конечная температура горячей воды, ⁰С.

Горячая вода при средней температуре t₁ = 72⁰C имеет следующие физико-химические характеристики: с₁ = 967,5 кг/м³, л₁ = 0,663 Вт/(м·К),

µ₁=0,4061·10^-3Па·с, с₁ = 4189,3 Дж/(кг·К).

2. Определение тепловой нагрузки:

Q=G₁c₁(t_1н-t_1к), (4.1.2)

Q=19·4189,3(104-40)=5094188,8 Вт,

где G₁ - расход горячей воды, кг/с;

с₁ - теплоемкость горячей воды при ее средней температуре, Дж/(кг·К).

3. Определение средней температуры холодной воды:

t_ср2=t_2н+16, (4.1.3)

t_ср2=19+16=35⁰С,

где t_2н - начальная температура холодной воды, ⁰С.

4. Определение конечной температуры холодной воды из уравнения теплового баланса:

t_2к= t_2н+Q/G₂c₂ , (4.1.4)

t_2к=19+5094188,8/(31·4178,25)=58,33⁰С,

где G₂ - расход холодной воды, кг/с;

c₂ - теплоемкость холодной воды при ее средней температуре, Дж/(кг·К).

Остальные физико-химические характеристики холодной воды при этой температуре: с₂ = 994 кг/м³, л₂ = 0,628 Вт/(м·К), µ₂ = 0,7225·10^-3Па·с.

5. Определение среднелогарифмической разности температур:

?t_ср.лог=(?t_б-?t_м)/[ln(?t_б/?t_м)], (4.1.5)

Где

?t_б = (t_1н-t_1к), ?t_б=104-40=64⁰С;

?t_м = (t_2к-t_2н), ?t_м=58-19=39⁰С;

?t_ср.лог=(64-39)/[ln(64/39)]=50,5⁰С.

6. Ориентировочный выбор теплообменника.

Примем ориентировочное значение Re_1ор=15000, что соответствует развитому турбулентному режиму течения в трубах. Очевидно, такой режим возможен в теплообменнике, у которого число труб, приходящееся на один ход, равно:

для труб диаметром d_н=20?2мм

n/z=(4G₁)/(рd Re_1ор µ₁), (4.1.6)

n/z=4·19/(3,14·0,016·15000·0,4061·10^-3)=248,336;

для труб диаметром d_н=25?2мм

n/z=4·19/(3,14·0,021·15000·0,4061·10^-3)=189,21,

где n - количество труб, шт;

z - количество ходов, шт.

Минимальное ориентировочное значение коэффициента теплопередачи, соответствующее турбулентному течению: К_ор=800 Вт/(м²·К). При этом ориентировочное значение поверхности теплообмена составит:

F_ор=Q/(?t_ср.лог К_ор)

F_ор=5094188,8/50,5·800м².

В многоходовых теплообменниках средняя движущая сила несколько меньше, чем в одноходовых, вследствие возникновения смешанного взаимного направления движения теплоносителей. Поправку для среднелогарифмической разности температур определим по уравнению:

е?t=(з/д)/ln{[2-P(1+R-з)]/[2-P(1+R+з)},

где з=vR²+1, д=(R-1)/ln[(1-P)/(1-PR)]|_R?1=(1-P)/P|_R>1,

P= (t_2к-t_2н)/(t_1н-t_2н), R=(t_1н-t_1к)/(t_2к-t_2н),

P=(58-19)/(104-19)=0,459,

R=(104-40)/(58-19)=1,641,

з=v1,641²+1=1,922

д=(1,641-1)/ln[(1-0,459)/(1-1,641·0,459)]=0,818

е?t=(1,922/0,818)/ln{[2-0,459(1+1,641-1,922)]/[2-0,459(1+1.641+1.922)}

решение данного уравнения не существует, следовательно поправка для среднелогарифмической разности температур не определяется.

Теперь целесообразно провести уточненный расчет следующих вариантов теплообменников:

1. D=800 мм; d_н=25?2 мм; z=4; n/z=404/4=101;

2. D=800 мм; d_н=20?2 мм; z=2; n/z=690/2=345;

3. D=600 мм; d_н=20?2 мм; z=2; n/z=370/2=185.

7. Уточненный расчет поверхности теплопередачи:

Re_1-i=(4G₁)/(рd [n/z] µ₁),

Re_1-1=4·19/(3,14·0,021·101·0,4061·10^-3)=28148,15;

Re_1-2=4·19/(3,14·0,016·345·0,4061·10^-3)=10857,143;

Re_1-3=4·19/(3,14·0,016·185·0,4061·10^-3)=20000.

где i - номер теплообменника.

Определяем критерий Прандтля для всех аппаратов:

Pr₁=с₁µ₁/ л₁,

Pr₁=4189,3·0,4061·10^-3/0,663=2,566.

При движении теплоносителя в прямых трубах круглого сечения или в каналах некруглого сечения без изменения агрегатного состояния коэффициент теплоотдачи определяем по формулам:

Nu=0,023Re^0,8Pr^0,4(Pr/Pr_ст)^0,25,

Nu=б₁d/л₁.

Из двух предыдущих уравнений следует, что коэффициент теплоотдачи к жидкости, движущейся по трубам турбулентно, равен:

б_1-i=л_1·0,023Re^0,8Pr^0,4(Pr/Pr_ст)^0,25,

б_1-1=0,663·0,023·28148,15^0,8·2,566^0,4/0,021=3777,37;

б_1-1=0,663·0,023·10857,14^0,8·2,566^0,4/0,016=2352,08;

б_1-1=0,663·0,023·20000^0,8·2,566^0,4/0,016=3834,45.

Поправкой (Pr/Pr_ст)^0,25 здесь можно пренебречь, так как разность температур t₁ и t_ст1 невелика.

Re_2-i=(G₂ d_н)/(S_м.тр µ₂),

Re_2-1=(31· 0,025)/(0,07· 0,7225·10^-3)=15316,21;

Re_2-2=(31· 0,02)/(0,07· 0,7225·10^-3)=12252,96;

Re_2-3=(31· 0,02)/(0,048· 0,7225·10^-3)=17867,44.

где S_м.тр - площадь сечения потока в межтрубном пространстве между перегородками.

Критерий Прандтля:

Pr₂=с₂µ₂/ л₂,

Pr₂=4178,25·0,7225·10^-3/0,628=4,807.

При движении теплоносителя в межтрубном пространстве кожухотрубчатых теплообменников с сегментными перегородками коэффициент теплоотдачи рассчитываем по формуле:

Nu=0,024Re^0,6Pr^0,36(Pr/Pr_ст)^0,25,

Nu=б₂d/л₂.

Из двух предыдущих уравнений следует, что коэффициент теплоотдачи к жидкости, движущейся в межтрубном пространстве, составит:

б_2-i=л_2·0,024Re^0,6Pr^0,36,

б_2-1=0,628·0,024·15316,21^0,6·4,807^0,36/0,025=3448,576;

б_2-2=0,628·0,024·12252,96^0,6·4,807^0,36/0,02=3770,546;

б_2-3=0,628·0,024·17867,44^0,6·4,807^0,36/0,02=4728,213.

Коэффициент теплопередачи равен:

К=1/(1/б₁+1/б₂+0,000804),

К₁=1/(1/3777,37+1/3448,576+0,000804)=735,835;

К₂=1/(1/2352,08+1/3770,546+0,000804)=669,344;

К₃=1/(1/3834,45+1/4728,213+0,000804)=783,7.

Требуемая поверхность составит:

F=Q/(?t_ср К),

F₁=5094188,8/50,5·735,835=137,09;

F₂=5094188,8/50,5·669,344=150,71;

F₃=5094188,8/50,5·783,7=128,716.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Борисов Г.С., Брыков В.П., Дытнерский Ю.И. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию, 2-е изд., перераб. -М.:Химия, 1991.-496 с.

2. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей, 2-е изд., перераб. - М., 1972.-720 стр. с илл. Горбачев Г.И., Чаплыгин Е.Е. Промышленная электроника, 1988.

3. Данилова Г. Н. и др. «Сборник задач и расчетов по теплопередаче». - М. -Л., Госторгиздат, 1961.

4. Доманский И.В., Исаков В.П., Островский Г.М. м др. Машины и аппараты химических производств: Примеры и задачи. Учеб. пособие для студентов втузов/ Под общ. ред. В.Н. Соколова - Л.: Машиностроение, Ленингр. Отд.ние, 1982. - 384 с., ил.

5. Николаев Г.И. Тепловые процессы: Учебное пособие / Под ред. Г.И. Николаев и др. - Улан-Удэ: Изд-во ВСГТУ, 2004.-124 с.

6. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Учебное пособие для вузов/Под ред. чл.-корр. АН СССР П.Г. Романкова. - 10-е изд., перераб. и доп. - Л.: Химия, 1987. - 576 с., ил.

7. Пряхин А.С., Семёнов П.Д. Конструкции и тепловой расчет теплообменных аппаратов: Учебное пособие. - СПб.: СПГУВК, 2001. - 189 с.

8. http://rosteplo.ru/Tech_stat/stat_shablon.php?id=2008, 1.04. 2013

Размещено на Allbest.ru