Кожухотрубчатый теплообменник

Федеральное агентство по атомной энергии  Российской Федерации

Северская государственная технологическая академия 
 
 
 
 

       Кафедра МАХП 
 
 
 
 
 
 

Кожухотрубчатый теплообменник

Расчетная работа 
 
 
 
 
 
 
 

                                                              Преподаватель

                                                                        ____ Л.Ф. Зарипова

       «__»________2006г.

       Студент

                                                                     ____ Катаева А.М.

       «__»________2006г. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      Северск – 2006 
 

       Содержание 

             Введение 3  

       1    Цель расчета 4

       2    Данные для расчета 4

       3    Тепловой расчет аппарата 4

       3.1 Тепловая нагрузка аппарата 4

       3.2 Расчет средних температур теплоносителей  и средней разности 

             температур  5

       3.3 Определение температур стенок 6

       3.4 Определение поверхности теплообмена 10

       4    Конструктивный расчет теплообменника 12

       4.1 Определение числа труб и числа  ходов в трубном пространстве 12

       4.2 Расчет внутреннего диаметра  корпуса 13

       4.3 Расчет диаметров патрубков 14

       5    Гидравлический расчет 16

       6    Прочностной расчет 17

       7    Расчет тепловой изоляции 18

             Заключение 20

             Список литературы 21

             Приложение А. Эскиз кожухотрубчатого теплообменника  22 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

       Введение

       Теплообменная аппаратура широко применяется в  химической технологии в различных процессах нагревания, охлаждения растворов, жидкостей, конденсации пара, испарения жидкости.

       При проектировании и конструировании  теплообменных аппаратов необходимо в максимально возможной степени  удовлетворить многосторонние и часто противоречивые требования, предъявляемые к теплообменникам. Основные из них: соблюдение условий протекания технологического процесса; возможно более высокий коэффициент теплопередачи; низкое гидравлическое сопротивление аппарата; устойчивость теплообменных поверхностей против коррозии; доступность поверхности теплопередачи для чистки; технологичность конструкции с точки зрения ее изготовления; экономное использование материалов.

       Кожухотрубчатые теплообменники в настоящее время  являются самыми распространенными теплообменными аппаратами. Они обеспечивают высокую теплопроизводительность, достаточно просты в изготовлении, отличаются возможностью развивать большую поверхность теплообмена в одном аппарате, надежны в работе. Наиболее целесообразно применение кожухотрубчатых теплообменников для парожидкостного теплообмена. С целью увеличения скорости движения теплоносителя и интенсификации теплообмена в теплообменнике устанавливают перегородки в трубном или межтрубном пространствах, т.е. выполняют теплообменники многоходовыми.

       Целью данной работы является расчет кожухотрубчатого парожидкостного теплообменника. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

       1 Цель расчета 

       Целью расчета является закрепление теоретических  выводов и расчетно-практических рекомендаций по курсу «Процессы и аппараты химической технологии» и их приложение к конкретному расчету кожухотрубчатого теплообменника. 

       2 Данные для расчета 

       Исходные  данные приведены в таблице 1. 

      Таблица 1 – Исходные данные

       3 Тепловой расчет  аппарата 

       Целью теплового расчета теплообменного аппарата является определение из теплового баланса тепловой нагрузки, истинного коэффициента теплопередачи и поверхности теплообмена. 

       3.1 Тепловая нагрузка  аппарата 

       Тепловую  нагрузку аппарата определяем из уравнения  теплового баланса по формуле [3, с. 11]: 

        , Вт,             (1) 

где D – расход пара, кг/с;

          i_П – энтальпия насыщенного пара, Дж/кг; 

где i_K – энтальпия конденсата, Дж/кг;

         r – удельная теплота парообразования или конденсации, Дж/кг;

           h_П – коэффициент полезного использования тепла в аппарате;

           G_II – массовый расход жидкости второго теплоносителя, кг/с;

           С_II – удельная теплоемкость жидкости, Дж/(кг∙К);

           t_2K – конечная температура жидкости;

           t_2H – начальная температура жидкости.

         Находим температуру кипения воды, равную температуре конденсации, и удельную температуру парообразования r [2, с. 533]:  

       Удельная  теплота парообразования [2, с.533]:

r=2208 кДж/кг. 

       3.2 Расчет средних  температур теплоносителей  и средней разности температур 

       В случае конденсации пара в теплообменнике средняя температура первого (горячего) теплоносителя равна температуре конденсации пара. Изменение температур теплоносителей представлено на рисунке 1. 
 
 
 
 
 
 
 

       Рисунок 1-Изменение температур теплоносителей 
 
 

       Так как  , то среднюю разность между теплоносителями определяем по формуле: 

       Кроме того, среднюю разность температур между теплоносителями можно  определить по формуле: 

где – средняя температура первого теплоносителя;

        – средняя температура второго теплоносителя.

       Тогда 

       Рассчитываем  удельную теплоемкость NaOH методом интерполяции. 

       20 – 0,017

       6,72 – х            х=

       С_II=3,846+0,0057=3,857 кДж/(кг К) 

       Тогда по формуле (1) определим тепловую нагрузку: 

       Также из формулы (1) найдем массовый расход пара: 

       3.3 Определение температур  стенок 

       Задаемся  рядом значений  

       Тогда  

       Рассчитываем  для каждой t_ст1 коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенке по формуле [3, с. 15]: 

            (2) 

где l – коэффициент теплопроводности конденсата, Вт/(м ×К);

       r – плотность конденсата, кг/м³;

       r – удельная теплота конденсации, Дж/кг;

       g – ускорение свободного падения, м/с²;

       m – динамический коэффициент вязкости, Па×с;

       Н – высота труб, Н = 2м;

       t_ст1 – температура стенки, °С.

       Определяем  значения для воды при температуре конденсации

       [2, с. 520]:

       Подставив в формулу (2) численные значения, получим: 

       Определяем  удельный тепловой поток из уравнения  теплоотдачи по формуле: 

                                              (3) 

       Подставив численные значения в формулу (3), получим: 

где – толщина стенки трубок, (для трубы ) [3, с.31];

        – коэффициент теплопроводности материала трубок, [2, с. 512];

        - коэффициент теплопроводности накипи, Вт/(м К),

        =2 Вт/(м К) [2, c.514];

        - термическое сопротивление загрязнения, (м² К)/Вт, 

        =5800 (м² К)/Вт [2, c.514].  
 

       Подставив в формулу (4) численные значения, получим: 

       Рассчитаем  коэффициент теплоотдачи от стенки к жидкости. Коэффициент теплоотдачи входит в критерий Нуссельта [3, с. 17]: 

        ,                                            (5) 

где Nu – критерий Нуссельта;

       a_II – коэффициент теплоотдачи, Вт/м²×К;

       l – определяющий геометрический размер, l = 0,021 м ;

       l – коэффициент теплопроводности жидкости, Вт/м×К.

       Выразим из уравнения (5) коэффициент теплоотдачи a_II: 

                                                             (6) 

       Режим движения характеризуется значением  критерия Рейнольдса, который определяется по формуле [3, с. 17]: 

где Re – критерий Рейнольдса;

       w – скорость движения жидкости, м/с;

         – динамический коэффициент вязкости;

         – плотность жидкости.

       В случае турбулентного режима движения жидкости (Re > 10000) критерий Нуссельта определяется по уравнению [3, с. 17]: 

        ,   (7) 
 

где e_l – поправочный коэффициент, учитывающий влияние на коэффициент теплоотдачи отношение длины труб теплообменника к их диаметру, при ;

       Pr – критерий Прандтля при средней температуре воды;

       Pr_ст – критерий Прандтля при температуре стенки, равный [3, с. 18]:  

где с  – удельная теплоемкость жидкости;

       m – динамический коэффициент вязкости жидкости;

       l – коэффициент теплопроводности жидкости.

       Значения  представлены в таблице 2 [6]. 

       Таблица 2- Значения .

       Рассчитываем  критерий Прандтля: 

       По  формуле (7) рассчитываем критерий Нуссельта: 

       По  формуле (6) рассчитываем коэффициент  теплоотдачи от стенки к жидкости: 

       Определим удельный тепловой поток из уравнения  теплоотдачи по формуле

       [3, с. 22]: 

или, подставив  численные значения, получим: 

        3.4 Определение  поверхности теплообмена 

       Определим истинное значение удельного теплового  потока. Для этого построим график зависимости удельных тепловых потоков q_I и q_II от температуры стенки t_ст1. Зависимость тепловых потоков q_I и q_II от температуры стенки t_ст1 представлена на рисунке 2. 
 
 
 

       Рисунок 2 – Зависимость q_I и q_II от t_ст1 
 

       Значения  q_I, q_II, t_ст1 сведены в таблице 3. 

   Таблица 3 – Зависимость удельных тепловых потоков и от температуры стенки

       Ордината  точки пересечения кривых соответствует  истинному значению теплового потока, а абсцисса – истинное значение температуры стенки:

       q_ист=49∙10³

       Определим истинное значение коэффициентов теплоотдачи [3, с. 23]: 

                                     (8) 

       Из  формулы (8) найдем: 

       По  формуле (4) вычисляем истинное значение температуры стенки: 

       Вычисляем истинное значение коэффициента теплоотдачи: 

       Вычисляем истинное значение коэффициента теплопередачи: 

       Определяем поверхность теплообмена:

       4 Конструктивный расчет  теплообменника 

       4.1 Определение числа  труб и числа  ходов в трубном  пространстве 

       Определим число труб по формуле [3, с. 31]: 

        ,     (9) 

где n – число труб;

       d_P – расчетный диаметр трубы, равный  

       l – длина труб, м.

       Подставив в формулу (9) численные значения, получим: 

       Принимаем ближайшее стандартное значение n = 241.

       Определим число труб одного хода в трубном  пространстве по формуле

       [3, с. 31]: 

где V – объемный расход теплоносителя, м²/с;

         – число труб в одном  ходе;

       d_вн – внутренний диаметр труб, м;

       w – скорость движения теплоносителя, м/с.

       Определим скорость теплоносителя из принятого в тепловом расчете значения критерия Рейнольдса по формуле: 

       Тогда объёмный расход теплоносителя: 

       V =

а число  труб одного хода в трубном пространстве: 

       Найдем число ходов z_ТР в трубном пространстве по формуле: 

       Принимаем z_тр = 16. 

       4.2 Расчет внутреннего  диаметра корпуса 

       Внутренний  диаметр корпуса зависит от диаметра, шага, числа труб и схемы размещения в трубном пучке.

       Расстояние  между осями труб – шаг зависит от наружного диаметра [3, с. 33]: 

       t = (1,2 – 1,4) ∙ d_H, м 

или подставив  численные значения, получим: 

       t = (1,2 – 1,4) ∙ 0,038 = 0,0494 м.

       Диаметр корпуса  многоходового теплообменника рассчитываем по формуле [3, с. 33]: