Расчет теплообменного аппарата

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Химико – технологический факультет

 

Кафедра «Машины и аппараты химических производств»

 

 

 

 

 

Семестровая работа

«Машины и аппараты химических производств»

Тема: «Расчет теплообменного аппарата»

Вариант 18.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Волгоград 2014г.

 

Содержание

 

 

Введение

 

Теплообменные аппараты являются составной частью практически всех технологических установок на нефтеперерабатывающих и нефтехимических заводах. Теплообменные аппараты используют для нагрева, испарения, конденсации, охлаждения, кристаллизации, плавления и затвердевания, участвующих в процессе продуктов, а также как парогенераторы или котлы-утилизаторы.

Среды, используемые для подвода или отвода, тепла называются теплоносителями и хладагентами. В качестве теплоносителей могут быть применены нагретые газообразные, жидкие или твёрдые вещества. Водяной пар как теплоноситель используется главным образом в насыщенном состоянии - как высокого давления, так и отработанный от паровых машин и насосов.

Кожухотрубчатые теплообменники изготовляют с поверхностью теплообмены 11-350 м2 для работы под давлением 2-25 атм. Трубные пучки выполняют из стальных трубок диаметром 20 или 25 мм и длиной 2-6 м. Теплообменники этого типа экономичны и имеют минимальное число соединений на прокладках. Основным недостатком таких аппаратов является невозможность механической очистки межтрубного пространства

По способу монтажа различают вертикальные, горизонтальные и наклонные теплообменные аппараты. Вертикальные теплообменники занимают меньше места, но они менее удобны при очистке. На нефтеперерабатывающих заводах наибольшее распространение получили горизонтальные теплообменники.

Кожухотрубчатые теплообменники

Кожухотрубчатые теплообменники - наиболее распространённый тип теплообменной аппаратуры. Они могут использоваться в качестве холодильников, конденсаторов и испарителей. По конструкции такие теплообменники представляют собой полую ёмкость цилиндрической формы, называемой кожухом, внутри которой расположен пучок от нескольких десятков до нескольких тысяч труб, называемых теплообменными трубами. Трубы своими концами герметично закреплены в основаниях, называемых трубными решётками и образуют, таким образом, трубное пространство теплообменника. Остальное пространство теплообменника называют межтрубным. Горячий и холодный теплоносители подаются, соответственно, в межтрубное и трубное пространства, прямотоком или противотоком. Теплообмен происходит через стенки теплообменных труб. Такие теплообменники могут быть одно-, двух-, четырёх - и шестиходовыми, устанавливаться горизонтально или вертикально. Поверхность теплообмена их может быть до 1000 м2.

 

1.  Устройство и принцип работы кожухотрубчатых теплообменников.

 

Теплоиспользующие аппараты, применяемые в пищевых производствах для проведения теплообменных процессов, называются теплообменниками.

Кожухотрубные теплообменники относятся к наиболее распространенным аппаратам. Их применяют для теплообмена и термохимических процессов между различными жидкостями, парами и газами – как без изменения, так и с изменением их агрегатного состояния.

Кожухотрубные теплообменники появились в начале ХХ века в связи с потребностями тепловых станций в теплообменниках с большой поверхностью, таких, как конденсаторы и подогреватели воды, работающие при относительно высоком давлении. Кожухотрубные теплообменники применяются в качестве конденсаторов, подогревателей и испарителей. В те же годы началось широкое промышленное применение кожухотрубных теплообменников в нефтяной промышленности. Для эксплуатации в тяжелых условиях потребовались нагреватели и охладители массы, испарители и конденсаторы для различных фракций сырой нефти и сопутствующих органических жидкостей. Теплообменникам часто приходилось работать с загрязненными жидкостями при высоких температурах и давлениях, и поэтому их необходимо было конструировать так, чтобы обеспечить легкость ремонта и очистки. В настоящее время их конструкция в результате специальных разработок с учетом опыта эксплуатации стала намного более совершенной.

С годами кожухотрубные теплообменники стали наиболее широко применяемым типом аппаратов. Это обусловлено, прежде всего, надежностью конструкции, большим набором вариантов исполнения для различных условий эксплуатации, в частности:

1. однофазные потоки, кипение и конденсация по горячей и холодной сторонам теплообменника с вертикальным или горизонтальным исполнением;

2. диапазон давления от вакуума до высоких значений;

3. в широких пределах изменяющиеся перепады давления по обеим сторонам вследствие большого разнообразия вариантов;

4. удовлетворение требований по термическим напряжениям без существенного повышения стоимости аппарата;

5. размеры от малых до предельно больших (5000 м2);

6. возможность применения различных материалов в соответствии с требованиями к стоимости, коррозии, температурному режиму и давлению;

7. использование развитых поверхностей теплообмена как внутри труб, так и снаружи, различных интенсификаторов и т.д.;

8. возможность извлечения пучка труб для очистки и ремонта.

Однако такое широкое разнообразие условий применения кожухотрубных теплообменников и их конструкций никоим образом не должно исключать поиск других, альтернативных решений, таких, как применение пластинчатых, спиральных или компактных теплообменников в тех случаях, когда их характеристики оказываются приемлемыми и их применение может привести к экономически более выгодным решениям.

Кожухотрубные теплообменники состоят из пучков труб, укрепленных в трубных досках, кожухов, крышек, камер, патрубков и опор. Трубное и межтрубное пространства в этих аппаратах разобщены, причем каждое из них может быть разделено перегородками на несколько ходов.

Схемы кожухотрубчатых аппаратов наиболее распространенных типов представлены на рисунке 1.

 

 

I, II-теплоносители; 1-корпус (кожух); 2-трубные решетки; 3-теплообменные  трубы; 4-крышки (распределит. камеры); 5, 6-перегородки соответственно во  внутриутробном и межтрубном пространстве

Рисунок 1 – Кожухотрубные одноходовой (а) и четырех ходовой (б) теплообменники

В кожухотрубных теплообменниках теплообмен интенсифицируется увеличением скорости теплоносителей путем установки в межтрубном пространстве поперечных перегородок и создания несколько ходов для теплоносителя, движущегося по внутритрубному пространству.

Рисунок 2 – Кожухотрубчатые теплообменники различных типов

Кожух (корпус) кожухотрубчатого теплообменника представляет собой трубу, сваренную из одного или нескольких стальных листов. Кожухи различаются главным образом способом соединения с трубной доской и крышками. Толщина стенки кожуха определяется давлением рабочей среды и диаметром кожуха, но принимается не менее 4 мм. К цилиндрическим кромкам кожуха приваривают фланцы для соединения с крышками или днищами. На наружной поверхности кожуха прикрепляют опоры аппарата.

Трубчатка кожухотрубчатых теплообменников выполняется из прямых или изогнутых (U-образных или W-образных) труб диаметром от 12 до 57 мм. Предпочтительны стальные бесшовные трубы.

В кожухотрубчатых теплообменниках проходное сечение межтрубного пространства в 2-3 раза больше проходного сечения внутри труб. Поэтому при равных расходах теплоносителей с одинаковым фазовым состоянием коэффициенты теплоотдачи на поверхности межтрубного пространства невысоки, что снижает общий коэффициент теплопередачи в аппарате. Устройство перегородок в межтрубном пространстве кожухотрубчатого теплообменника способствует увеличению скорости теплоносителя и повышению эффективности теплообмена.

Трубные доски (решетки) служат для закрепления в них пучка труб при помощи развальцовки, разбортовки, заварки, запайки или сальниковых креплений. Трубные доски приваривают к кожуху (рис. а, в), зажимают болтами между фланцами кожуха и крышки (рис. б, г) или соединяют болтами только с фланцем свободной камеры (рис. д, е). материалом досок служит обычно листовая сталь толщиной не менее 20 мм.

Кожухотрубчатые теплообменники могут быть жесткой (рис. а, к), нежесткой (рис. г, д, е, з, и) и полужесткой (рис. б, в, ж) конструкции, одноходовые и многоходовые, прямоточные, противоточные и поперечноточные, горизонтальные, наклонные и вертикальные.

На рисунке а) изображен одноходовой теплообменник с прямыми трубками жесткой конструкции. Кожух и трубки связаны трубными решетками и поэтому нет возможности компенсации тепловых удлинений. Такие аппараты просты по устройству, но могут применяться только при сравнительно небольших разностях температур между корпусом и пучком труб (до 50оС). Они имеют низкие коэффициенты теплопередачи вследствие незначительной скорости теплоносителя в межтрубном пространстве.

В кожухотрубчатых теплообменниках проходное сечение межтрубного пространства в 2-3 раза больше проходного сечения трубок. Поэтому при одинаковых расходах теплоносителей, имеющих одинаковое агрегатное состояние, коэффициенты теплоотдачи на поверхности межтрубного пространства невысокие, что снижает коэффициент теплопередачи в аппарате. Устройство перегородок в межтрубном пространстве способствует увеличению скорости теплоносителя и повышению коэффициента теплопередачи. На рисунке 1, б изображен теплообменник с поперечными перегородками в межтрубном пространстве и полужесткой мембранной компенсацией тепловых удлинений вследствие некоторой свободы перемещения верхней трубной доски.

В парожидкостных теплообменниках пар проходит обычно в межтрубном пространстве, а жидкость – по трубам. Разность температур стенки корпуса и труб обычно значительна. Для компенсации разности тепловых удлинений между кожухом и трубами устанавливают линзовые (рис. в), сальниковые (рис. з, и) или сильфонные (рис. ж) компенсаторы.

Для устранения напряжений в металле, обусловленных тепловыми удлинениями, изготавливают также однокамерные теплообменники с гнутыми U- и W-образными трубами. Они целесообразны при высоких давлениях теплоносителей, так как изготовление водяных камер и крепление труб в трубных досках в аппаратах высокого давления – операции сложные и дорогие. Однако аппараты с гнутыми трубами не могут получить широкого распространения из-за трудности изготовления труб с разными радиусами гиба, сложности замены труб и неудобства чистки гнутых труб.

Компенсационные устройства сложны в изготовлении (мембранные, сильфонные, с гнутыми трубами) или недостаточно надежны в эксплуатации (линзовые, сальниковые). Более совершенна конструкция теплообменника с жестким креплением одной трубной доски и свободным перемещением второй доски вместе с внутренней крышкой трубной системы (рис. е). некоторое удорожание аппарата из-за увеличения диаметра корпуса и изготовления дополнительного днища оправдывается простотой и надежностью в эксплуатации. Эти аппараты получили название теплообменников «с плавающей головкой». Теплообменники с поперечным током (рис. к) отличаются повышенным коэффициентом теплоотдачи на наружной поверхности вследствие того, что теплоноситель движется поперек пучка труб. При перекрестном токе снижается разность температур между теплоносителями, однако при достаточном числе трубных секций различие в сравнении с противотоком невелико. В некоторых конструкциях таких теплообменников при протекании газа в межтрубном пространстве и жидкости в трубах для повышения коэффициента теплоотдачи применяют трубы с поперечными ребрами.

Достоинства кожухотрубчатых теплообменников:

1. возможность получения значительной поверхности теплообмена при сравнительно небольших габаритах и хорошо освоенная технология изготовления;
2. простота конструкции, технологии изготовления монтажа и ремонта;
3. бóльшая тепловая мощность аппаратов по сравнению с пластинчатыми;
4. ремонтопригодность и его экономическая целесообразность замены отдельных частей аппаратов .

Недостатки:

1. высокий расход металла по сравнению со спиральными и пластинчатыми теплообменниками;

2. очень дорогая чистка труб и межтрубного пространства;

3. теплообменники кожухотрубные на десятки процентов менее экономичны, чем пластинчатые.

Сфера применения кожухотрубчатых теплообменников – нефтяная, химическая, нефтехимическая, газовая, теплоэнергетическая отрасли промышленности.

 

2. Задание

 

Рассчитать и подобрать стандартизированный теплообменный аппарат .

Рабочая среда	Назначение и тип аппарата	кг/ч	°C	Па
Уксусная кислота	Испаритель кожухотрубчатый	2,0	35	1,5

 

 

 

 

Решение

При абсолютном давлении паров уксусной кислоты

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Для этилацетата выписываем значения:

Из условия t1н=77 °С, t1к=30 °С, t1ср=55,5 °С.

Физико-химические свойства при t1ср=55,5 °С:

кг/м3 (таблица IV, [2]); Вт/(м·К) (монограмма X, [2]), Па·с (таблица IX, [2]), Дж/(м·К) (номограмма XI, [2]).

Для воды:

Принимаем начальную и конечную температурц t2н=20 °С, t2к=40 °С, t2ср=10 °С.

Физико-химические свойства при t2ср=30 °С:

кг/м3 (таблица IV, [2]); Вт/(м·К) (монограмма X, [2]), Па·с (таблица IX, [2]), Дж/(м·К) (номограмма XI, [2]).

 Принимаем противоточную  схему движения теплоносителей

 

Рисунок 3 – Схема движения теплоносителей

 

1.  Тепловая нагрузка аппарата (формула 2.2, [1]):

(1)

 

2. Определение расхода воды:

(2)

 

3. Определим среднюю разность температуры ( формула 2.6 [1]):

(3)

 

4. Ориентировочный выбор теплообменника. В трубное пространство поступает вода, а рабочая среда, этилацетат, в межтрубное пространство. Принимаем ориентировочное значение критерия Рейнольдса , соответствующее развитому турбулентному режиму движения жидкости, при котором обеспечиваются наилучшие условия теплообмена.  Определим соотношение n/z для конденсатора из труб:

диаметром мм

(4)

 

диаметром мм

(5)

 

где n – общее число труб;

z – число ходов по трубному пространству;

d – внутренний диаметр труб, м.

Примем Вт/(м2·К) (из таблицы 2.1, [1]). Тогда оринтировочное значение требуемой поверхности составит :

(6)

 

5. Определим поправку для среднелогарифмической разности температур, согласно формуле 2.7 [1]:

(7)

 

(8)

 

(9)

 

(10)

 

(15)

 

(16)

 

Тогда

С учетом поправки ориентировочная поверхность составит:

(17)

 

6. Уточненный расчет следующих вариантов:

1К: D = 600 мм; dн = 20×2; z = 2; n/z = 370/2 = 185;

2К: D = 800 мм; dн = 20×2; z = 4; n/z = 638/4 = 159,5;

3К: D = 800 мм; dн = 25×2; z = 4; n/z = 404/4 = 101.

7. Уточненный расчет поверхности теплопередачи

Вариант 1K:

(18)

;

(19)

.

Коэффициент теплоотдачи к воде определим по уравнению 2.12, [1], пренебрегая поправкой (Pr/Prст)0,25:

(20)

 

(21)

 

Площадь сечения потока в межтрубном пространстве между перегородками м2 , тогда

(22)

 

(23)

 

В соответстви с формулой 2.16 [1] коэффициент теплоотдачи к жидкости, движущейся в межтрубном пространстве, составит:

(24)

 

Сумма термических сопротивлений стенки и загрязнений:

(25)

 

где м – толщина стенки трубки;

Вт/м·К – теплопроводность нержавеющей стали [1 c.529];

м·К/Вт; – тепловые сопротивления загрязнений стенок.

Коэффициент теплопередачи:

(26)

.

Требуемая поверхность:

(27)

 

Из таблицы 2.3 [1] следует, что из вабранного ряда подходит теплообменник с трубами длинной 4,0 м и номинальной поверхностью F = 93 м2.

Запас:

(28)

 

Масса теплообменника М1К = 3500 кг.

Вариант 2К:

Аналогичный расчет дает следующие результаты:

, Вт/(м2·К), , Вт/(м2·К),

 Вт/(м2·К), м2. Из таблицы 2. 3 [1] следует, что теплообменник длиной 2,0 м имеент недостаточный запас поверхности (Δ <10 %), поэтому для данной задачи он не пригоден. Теплообменник  длиной 3,0 м, поверхностью 120 м2 , имеет преимущество по сравнению с варианто 1К, так как при небольшой разнице в массе (М2К=3550 кг) длина труб в 1,3 раза меньше, что характеризуется меньшим гидравлическим сопротивлением.

Вариант 3К:

Аналогичный расчет дает следующие результаты:

, Вт/(м2·К), , Вт/(м2·К),

 Вт/(м2·К), м2. Из таблицы 2. 3 [1] следует, что теплообменник с трубами длиной 3,0 м, номинальной поверхностью м2 подходи с запасом ((Δ = 15 %). Его масса кг, а длина труб  составляет 3,0 м.

Дальнейшее сопоставление тех конкурентоспособностых вариантов (1К, 2К, 3К) проводим по гидравлическому сопротивлению .

8. Расчет гидравлического сопротивления кожухотрубчатых теплообменников.

(29)

 

Коэффициент трения:

(30)

 

где  – относительная шероховатость труб;

 – высота выступов шероховатости ( мм).

Принимаем диаметр штуцеров в распределительной камере .

Скорость в штуцерах

(31)

В трубном пространстве следующие местные сопротивления: вход в камеру и выход из нее, 1 поворотов на 180 градусов, 2 входов в трубы и 2 выходов из них.

В соответствии с формулой 2.35 [1] гидравлическое сопротивление трубного пространства равно:

(32)

 

(33)

 

Число рядов труб, омываемых потоком в межтрубном пространстве, ; примем округляя в большую сторону 12. Число сегментных перегородок x = 10 [2, таблица 2.7]

Диаметр штуцеров к кожуху  м.

Скорость потока в штуцерах:

(34)

 

Скорость потока в наиболее узком сечении м2

(35)

 

В межтрубном пространстве следующие местные сопротивления: вход и выход жидкости через штуцера, 10 поворотов сегменты и 11 сопротивлений трубного пучка при его обтекании.

Гидравлическое сопротивление

(36)

 

(37)

 

Вариант 2К:

 Аналогичный расчет  дает следующие результаты: м/с ; ; м/с; Па; м/с; м/с; ; ; Па. Сопоставление этого варианта с вариантом 1К показывает, что , как и ожидалось , по гидравлическому сопротивлению вариант 2К лучше.

Вариант 3К:

Результаты расчета: м/с ; ; м/с; Па; м/с; м/с; ; ; Па. Сопротивление этого теплообменника чуть больше чем у варианта 2К , а так как мы стремимся подобрать теплообменник с наименьшим гидравлическим сопротивлением , то целесообразнее выбрать вариант 2К.

По итогам проведенных расчетов был выбран четырехходовой теплообменник со следующими характеристиками:

; ; общее число труб ; поверхность теплообмена ; длина труб .

 

Заключение

 

Широкая номенклатура теплообменников по типам, размерам, параметрам и материалам позволяет выбрать для конкретных условий теплообмена аппарат, оптимальный по размерам и материалам. В данной работе использовался кожухотрубчатый теплообменник. Достоинство таких теплообменников – возможность получения значительной поверхности теплообмена при сравнительно небольших габаритах и хорошо освоенная технология изготовления, недостаток – высокий расход металла по сравнению со спиральными и пластинчатыми теплообменниками.

 

Список используемой литературы

 

1. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию / Г.С. Борисов [и др.]; под общ. ред. Ю.И. Дытнерского. – 2-е изд. – М.: Химия, 1991. – 496 с.

2. Павлов, К.Ф. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии: Учебное пособие для вузов / К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А. Носков. – 10-е изд. – Л.: Химия, 1987. – 576 с.

3. Касаткин, А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии / А.Г. Касаткин. – 7-е изд. – М.: 1961. – 829 с.

4. Лащинский, А.А. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры: Справочник / А.А. Лащинский, А.Р. Толчинский – 2-е изд. – Л.: Машиностроение, 1970. – 752 с.

5. Тимонин, А.С. Основы конструирования и расчета химико-технологического и природоохранного оборудования: Справочник: в 3 т. / А.С. Тимонин – 2-е изд. – Калуга: Издательство Н. Бочкаревой. – 2002. – 3 т.

6. Машины и аппараты химических производств: Примеры и задачи. Учеб. пособие для студентов втузов, обучающихся по специальности «Процессы и аппараты химических производств»/ И. В. Доманский, В. П. Исаков, Г. М. Островский и др.; Под общ. Ред. В. Н. Соколова ˗ Л.: машиностроение, Ленингр. отд- ние, 1982. ˗ 384 с. ил.