Расчет и проектирование теплообменника

ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет»

Кафедра «Процессы и аппараты химической технологии»

 

 

                                               Оценка проекта:

                                                 Члены комиссии:

 

 

 

Курсовой проект.

Расчет и проектирование теплообменника.

 

Пояснительная записка

240302 065000 0000 ПЗ

 

 

 

 

Руководитель проекта               Инюшкин Н.В

Студент                 Пайвин Е.А.

Группа Х-490501

 

 

 

 

 

 

Екатеринбург

2012

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Аннотация

 

 

В данном пояснительной записке  рассматривается методика выбора теплообменника на основании данных для курсового проектирования. В ходе расчета рассматриваются несколько вариантов теплообменников и на основании сравнения их выбирается лучший вариант. Правильный выбор теплообменника в процессах теплопередачи позволяет получить требуемую производительность, требуемое качество процесса при минимальной стоимости аппарата и минимальной занимаемой им площади.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задание по курсовому проектированию

 

Рассчитать и спроектировать ТЕПЛООБМЕННИК (холодильник, конденсатор) по следующим данным:

1. Тип аппарата выбрать.
2. Производительность аппарата:

А. По нагреваемой среде:

а) состав вода;

б) начальная температура 10 °С;

в) конечная температура 35 °С;

г) давление 1,0 ат.

Б. По охлаждаемой среде:

а) состав бензол,

б) начальная температура tкип;

в) конечная температура 80,4 °С;

г) давление 1 атм;

3. Дополнительные данные:

а) расход по охлаждаемой среде 10 т/час.

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

 

Тепловые балансы. При расчете тепловых балансов необходимо знать удельные величины теплоемкости, энтальпии (теплосодержание), теплоты фазовых или химических превращений.

Удельная теплоемкость - это количество тепла, необходимого для нагревания (или охлаждения) 1 кг вещества на 1 градус (дж/кг град). Теплоемкость характеризует способность тела аккумулировать тепло. Так как теплоемкость зависит от температуры, то различают истинную теплоемкость при данной температуре с и среднюю теплоемкость в некотором интервале температур

 

  (2.1)

где Q - количество тепла, сообщаемого единице количества вещества при изменении температуры от . В практике тепловых расчетов, как правило, приходится пользоваться средними теплоемкостями.

Удельная энтальпия i (если все расчеты вести от 0 С) определяется количеством тепла, которое необходимо для нагревания 1 кг вещества от 0 С до данной температуры, энтальпия i измеряется в Дж/кг, в технической системе ккал/кг.

  (2.2)

Удельная теплота фазовых или химических превращений r - это количество тепла, которое выделяется (или поглащается) при изменении агрегатного состояния или химическом превращении единицы массы вещества. Она измеряется Дж/кг, а в технической системе ккал/кг.

«Внутренний» метод составления  теплового баланса (с использование величин теплоемкостей). В непрерывно действующем теплообменнике

 

        

         Q

        

 

Рис. 2.1

(Рис. 2.1) осуществляется теплообмен  между двумя текучими средами,  разделенными теплопередающей перегородкой. Если в процессе теплообменна не происходит добавочного выделения или поглощения теплоты  в результате фазовых или химических превращений и нет тепловых потерь в окружающую среду, то количество тепла, переходящего от первой среды ко второй в единицу времени - тепловой поток, или тепловая нагрузка, - равно:

  (2.3)

Если процесс теплообмена происходит, в первой среде, фазовые или химические превращения (испарения жидкости, конденсация  пара, плавление, химические реакции, и т.п.), то уравнение теплового баланса имеет следующий вид:

   (2.4)

«Внешний» метод составления теплового  баланса (с использованием величин удельных энтальпий). Тепловой баланс составляется исходя из того, что количество тепла Q1, поступающего в аппарат за 1 час с входящими средами, равно количеству тепла, уходящего со средами из аппарата за то же время,

  (2.5)

где - энтальпии веществ, соответственно входящих в аппарат и выходящих из него.

В отличие от внутреннего метода составления теплового баланса, где рассматривается перераспределение  тепла между теплообменивающимися средами в самом аппарате, в  данном методе тепловой баланс составляется как бы по внешним показателям: до аппарата и после аппарат.

Из уравнения (2.5) можно определить количество тепла Q, переданного от одной среды к другой, как разность энтальпий

 (2.6)

При наличии фазовых или химических превращений в теплообменнике количество тепла, переданного от одной среды к другой,

 (2.7)

где - энтальпия продуктов превращения при температуре выхода из аппарата .

 

Кинетика теплопередачи. Различают три вида (механизма) теплопередачи: теплопроводность, конвекция и излучение.

Передача тепла теплопроводностью. Под теплопроводностью понимают переход тепловой энергии в среде без массовых ее движений относительно направления теплоперехода. Здесь тепло передается как энергия упругих колебаний атомов и молекул около их среднего положения. Эта энергия переходит к соседним атомам и молекулам в направлении ее уменьшения, т.е. уменьшения температуры.

Закон Фурье. Передача тепла теплопроводностью описывается законом Фурье, согласно которому количество тепла , проходящее за время через поверхность dF, нормальную к направлению теплоперехода, равно:

 (2.8)

где - коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом теплоппроводности или теплопроводностью;  - градиент температуры, т.е. изменение температуры на единицу длины в направлении теплопередачи.

Коэффициент теплопроводности. Он определяет скорость передачи тепла, т.е. количество тепла, проходящего в единицу времени через единицу поверхности тела при длине его в направлении теплопередачи, равной единице и разности температур 1 град. Наибольшее значение имеют металлы - от нескольких десятков до нескольких сотен вт/(м град). Значительно меньшие коэффициенты теплопроводности имеют твердые тела - не металлы. Теплопроводность жидкостей меньше теплопроводности большинства твердых тел. Для них колеблется в пределах десятых долей вт/(м град). Коэффициенты теплопроводности еще меньше.

Передача тепла теплопроводностью  через стенку. Количество передаваемого тепла за 1 час через плоскую стену можно подсчитать по уравнению Фурье как количество тепла, проходящего через плоскость бесконечно малой толщины dx внутри стенки:

 (2.9)

Проинтегрировав изменение температуры  по всей толщине стенки получим

 (2.10)

 

 

Из интегрального выражения  видно,  что температура t внутри плоской стенки падает по толщине стенки в направлении теплоперехода по закону прямой линии.

 

     t      

      t

       tст1

                t1

        dt

Q

 

  tст

   tст2

   dx        x      

                 x

Рис 2.2        

 

 

 

Передача тепла конвекцией.  Конвекционная теплопередача - это перенос тепла объемами среды путем взаимного их перемещения в направлении теплопередачи. Переход тепла от среды к стенке или от стенки к среде называется теплоотдачей. Количество передаваемого тепла определяется законом Ньютона:

  (2.11)

где - коэффициент теплоотдачи .

Коэффициент теплоотдачи при турбулентном движении среды. Среда, имеющая турбулентный характер движения и температуру t1 в основном ядре потока, протекая вдоль стенки с температурой передает ей свое тепло (Рис. 2.2). У стенки всегда существует тонкий пограничный слой, где имеет место ламинарное течение. В этом ламинарном слое сосредоточено основное сопротивление передачи тепла. Согласно закону Фурье:

  (2.12)

Сравнивая уравнения (2.11) и (2.12), видим, что

  (2.13)

Величину  называют толщиной приведенного слоя. Величина зависит от следующих основных факторов:

1. физических свойств текучей среды: теплопроводности, теплоемкости, вязкости, плотности
2. гидравлических условий омывания жидкостью или газом тепловоспринимающей (или теплоотдающей) поверхности: скорости и направления текучей среды относительно этой поверхности
3. пространственных условий, ограничивающих поток: диаметр, длина, форма и шероховатость поверхности.

Таким образом коэффициент теплоотдачи является функцией многих величин:     .

Функциональная связь  между критериями подобия, характеризующими теплоотдачу при турбулентном движении потока в прямых, гладких и длинных трубах, выведена методом анализа размерностей.

 (2.14)

или коротко

  (2.15)

где А, а и е - некоторые численные  величины.

Безразмерные комплексы имею наименования:

- критерий Нуссельта, включающий  в себя искомую величину коэффициента теплоотдачи (Нуссельт впервые применил теорию подобия для решения вопросов теплообмена);

- критерий Рейнольдса, определяющий  гидравлическую характеристику потока:

- критерий Прандтля, характеризующий физические свойства среды.

Определение А, а и е  производится на основе экспериментальных  исследований.

Коэффициент теплоотдачи. Наиболее часто в химической технологии встречается передача тепла от одной текучей среды к другой через разделяющую их стенку. Передача тепла от одной среды к другой складывается из трех стадий, и для установившегося процесса тепловой поток в направлении теплоперехода остается постоянным.

Тепловой поток от первой среды к стенке

  (2.16)

через стенку

  (2.17)

от стенки ко второй среде

  (2.18)

Совместное решение уравнений (2.16, 2.17, 2.18) дает:

  (2.19)

В уравнении (2.19) величина

  (2.20)

называется коэффициентом теплопередачи. В системе СИ имеет размерность .

Средняя разность температур. В основу расчетов требуемой поверхности теплообмена F для передачи заданного тепловым балансом количества тепла в единицу времени Q положено уравнение (2.19). В подавляющем большинстве случаев температуры сред в процессе теплопередачи будут изменяться в результате происходящего теплообмена, а следовательно, будет изменяться и разность температур вдоль поверхности теплообмена. Поэтому рассчитывают среднюю разность температур по длине аппарата , но так как это изменение не линейно то рассчитываю логарифмическую разность температур.

;  (2.21)

 Это доказано математическими  выкладками. При противотоке всегда требуется меньшая теплопередающая поверхность, чем при прямотоке, для передачи равного количества тепла в одинаковых условиях начальных и конечных температур сред.

В случае смешивания тока в  одном ходу теплообменника среды  движется противотоком, а в другом прямотоком. В этих случаях среднюю разность температур определяют из соотношения

 (2.22)

где - средняя логарифмическая разность температур при противотоке;   - поправочный коэффициент, который всегда меньше единицы.

Часто используемые теплообменники

 

Кожухотрубные теплообменники. Кожухотрубный теплообменник является наиболее распространенным аппаратом в следствии компактного размещения большой теплопередающей поверхности в единице объема аппарата. Поверхность теплообмена в нем образуется пучком параллельно расположенных трубок концы которых закреплены в двух трубных досках (решетках). Трубки заключены в цилиндрический кожух, приваренный к трубным доскам или соединенный с ними фланцами. К трубным решеткам крепятся на болтах распределительные головки (днища), что позволяет легко снять их и произвести чистку трубок или в случае необходимости заменить новыми. Для подачи и отвода теплообменивающихся сред в аппарате имеются штуцера. В целях предупреждения смешения сред трубки закрепляются в решетах чаще всего развальцовкой, сваркой или реже для предупреждения термических напряжений с помощью сальников.

Преимущества проведения процессов  теплообмена по принципу противотока, что обычно и выполняется в кожухотрубных теплообменных аппаратах. При этом охлаждаемую среду можно направить сверху вниз, а нагреваемую на встречу ей, или наоборот. Выбор, какую среду направить в межтрубное пространство и какую внутрь трубок, решается сопоставлением ряда условий:

• среду с наименьшим значением следует направлять в трубки для увеличения скорости ее движения, а следовательно, и для увеличения ее коэффициента теплоотдачи;
• внутреннюю поверхность трубок легче чистить от загрязнений, поэтому теплоноситель, который может загрязнять теплопередающую поверхность, следует направлять в трубки;
• среду под высоким давлением целесообразно направлять в трубки, опасность разрыва которых меньше по сравнению с кожухом;
• среду с очень высокой или наоборот с низкой температурой лучше подавать в трубки для уменьшения потерь тепла в окружающую среду.

Работу кожухотрубных теплообменников  можно интенсифицировать, применяя трубы малого диаметра. Необходимо иметь в виду, что при уменьшении диаметра труб увеличивается гидравлическое сопротивление теплообменника.

Наиболее простой путь обеспечения  высоких скоростей состоит в  устройстве многоходовых теплообменников. Число ходов в трубном пространстве может доходить до 8 - 12. При этом часто не удается сохранить принцип противотока. Наличие смешанного тока буден несколько снижать движущую силу процесса теплопередачи, что соответственно снизит эффективность работы. С помощью перегородок увеличивается скорость движения той среды, у которой меньше значение коэффициента теплоотдачи. Следует иметь в виду, что в длинных, особенно в многоходовых, теплообменниках уменьшается смешение поступающей среды со всем ее количеством, находящемся в аппарате, и этим предупреждается возможное дополнительное уменьшение средней разности температур.

В кожухотрубных теплообменниках  при большой разности температур между средами возникают значительные термические напряжения, особенно в  момент пуска или остановки аппарата, вызванные различным удлинением трубок и кожуха под воздействием различных температур. Во избежание возникновения таких напряжений используются следующие меры:

1. Установка в корпусе аппарата линзового компрессора.
2. Установка в теплообменнике только одной трубной решетки, в которой закреплены трубки U - образной формы.
3. Устройство теплообменников с «плавающей головкой».
4. Закрепление трубок в одной из трубных решеток с помощью сальников.
5. Сальниковое соединение трубной решетки с кожухом.

Теплообменники типа «труба в трубе». Теплообменники этого типа смонтированы из труб, каждая из которых окружена трубой несколько большего диаметра. Одна среда течет по внутренней трубе, другая - по кольцевому каналу. Внутренние трубы соединены последовательно «калачами», а наружные - патрубками. При необходимости получить большую поверхность теплопередачи возможно не только последовательное, но и параллельное и комбинированное соединение таких секций с помощью коллекторов. В теплообменнике типа «труба в трубе» соответствующим подбором диаметров труб для обеих теплообменивающих сред можно назначить любую скорость, а следовательно получить соответственно высокие значения величин . Недостатком таких теплообменников является большой расход металла на единицу, тепло передающей поверхности вследствие затрат на бесполезные для теплообмена внешние трубы, что приводит к значительному увеличению стоимости аппарата. Этот недостаток становится менее ощутимым, если внешние трубы изготовлены из обычной углеродистой стали, а внутренние - из дорогостоящего материала в условиях агрессивных сред. Теплообменники типа «труба в трубе» особенно широко применяются тогда, когда среды подаются под высоким давлением (десятков и сотен атмосфер).

Теплоотдача от конденсирующегося  пара. Одним из наиболее часто применяемых в химической промышленности методов нагревания является обогрев конденсирующимся водяным паром. Достоинства такого обогрева следующие:

1. Пар обладает большим теплосодержанием, обусловленным теплотой конденсации.
2. Есть возможность применения мятого пара после турбин, который еще не потерял свою теплоту конденсации.
3. Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара имеет большую величину.
4. Конденсирующийся пар обеспечивает равномерность и точность обогрева, легко регулируемого изменением давления.

 

Также на величину коэффициента теплоотдачи  влияют в различной степени следующие  факторы:

• изменение величин и H (турбулентный режим стекания пленки);
• изменение скорости движения пара и его направления;
• изменение расположения теплопередающей поверхности (при горизонтальном расположении условия теплообмена ухудшаются);
• изменение состояния поверхности и характера конденсации;
• влияние перегрева пара;
• влияние примесей конденсирующихся газов.

 

 

Расчетная часть

    1. Тепловая схема и основные параметры.

     Принимаем индекс «1» для горячего теплоносителя (насыщенные пары бензола), индекс «2» для холодного теплоносителя (Вода).

Температура конденсации  паров бензола – 80,2 °С.

Тепловая схема процесса:

∆t_б=70,4° С      ∆t_м=45,4° С

Средняя разность температур при противотоке теплоносителей:

Средняя температура воды:

       t₂=t₁-∆t_ср =80,4-57=23,4 °С.

Расход расход паров  бензола 10т/час  или 2,778кг/с

Количество теплоты, отдаваемой парами бензола:

, где  - удельная теплота конденсации бензола [1, рис.XLV]

 

Расход воды:

,

=4183 Дж/(кг К) - удельные теплоемкость воды при средней температуре =23,4 С [1, рис. XI  ].

 

 

 

Максимальная площадь  теплообмена:

;

Кор = 500 по [1, таб. 4.8]

F=1100009 /(500·57)=38,6 ;

 

 

    Для расчета выбираем кожухотрубчатый теплообменник (ГОСТ 15120-79) с трубами 25х2  мм

    2.Расчет кожухотрубчатого теплообменника.

    Для обеспечения интенсивного теплообмена принимаем критерий Рейнольдса Re₂>15000.

Для труб диаметром 25х2 мм

Возможные варианты : одноходовые  теплообменники однозначно не подходят, при достаточной площади количество труб слишком велико для турбулентного  режима течения, поэтому целесообразно провести уточненный расчет следующих вариантов:

1Т) 

2Т) 

Вариант 1.

Уточненный расчет поверхности теплопередачи :

- вязкость воды при  23,4 С; [1, с. 556]

Ввиду того, что температуры стенок со стороны паров бензола и  воды пока неизвестны, примем сомножитель равным 1,05 для обоих потоков.

, где 

λ  - коэффициент теплопроводности бензола при температуре конденсации,

ρ – плотность бензола при  температуре конденсации [1, рис.XLV]

r - удельная теплота парообразования бензола

μ – динамическая вязкость бензола  при температуре конденсации[1, рис V]

Δt – разница температур конденсации и температуры стенки

Δt=

H – длина трубок

 

Т.к. пары бензола не дают пристенных осадков, то , второй теплоноситель вода примем . Повышенная коррозионная активность воды диктует выбрать в качестве материала труб нержавеющую сталь. Теплопроводность нержавеющей стали примем равной . Сумма термических сопротивлений стенки и загрязнений равна

Поверхностная плотность  теплового потока:

Проверяем принятое значение (Pr/Pr_ст)^0,25

Было принято что Pr_ст=1,05,  разница =0,8%, что приемлемо.

  Аппарат с L=4м имеет площадь поверхности теплообмена = 31,0м²

Такой вариант не подходит, не хватает поверхности , берем аппарат  с L= 6м

Аппарат с L=6м имеет площадь поверхности теплообмена = 47,0м²

Запас площади поверхности  теплообмена:

Такой запас поверхности  хорош тем, что даже при больших  загрязнениях, при понижении начальной температуры воды в зимний период, теплообменник будет работать с нормальном режиме

 

 

 

 

Вариант 2.

Уточненный расчет поверхности теплопередачи :

, где 

Т.к. пары бензола не дают пристенных осадков, то , второй теплоноситель вода примем . Повышенная коррозионная активность воды диктует выбрать в качестве материала труб нержавеющую сталь. Теплопроводность нержавеющей стали примем равной . Сумма термических сопротивлений стенки и загрязнений равна

Аппарат с L=3м имеет площадь поверхности теплообмена = 49,0м²

Запас площади поверхности  теплообмена:

Запас поверхности теплообменника больше, чем в варианте 1, но и металлоемкость данного аппарата больше, что увеличивает  его стоимость по сравнению с  вариантом 1.

 

3. Расчет теплообменника труба в трубе

 

Рассмотрим теплообменник, изготовленный  из труб 219х6 мм (наружная труба) и 159х4,5 мм (внутренняя труба) – выбор обоснован  большим значением F - площади теплообмена и существенным расходом второго вещества - воды

 Скорость воды трубах для обеспечения турбулентного течения должна быть больше :

м/с

 Число параллельно  работающих труб 159х4,5 мм, при этом

Примем n=7

Для паров бензола:

Сумма термических сопротивлений  стенки и загрязнений равна

.

Площадь поверхности  теплообмена одного элемента длинной 9 м:

Число элементов 

Общее число элементов nN=9*2=18 шт. Масса 1 шт. 100 кг. Масса всего аппарата 1800 кг.

 

 

 

 

 

Расчет гидравлического  сопротивления

Расчет гидравлического  сопротивления теплообменника с  параметрами

Скорость жидкости в трубах:

Коэффициент трения:

Скорость в штуцерах при  d=0,125м

В трубном пространстве следующие  местные сопротивления: вход в камеру и выход из нее, один поворот на 180⁰, два входа в трубы и два выхода из них

Гидравлическое сопротивление  трубного пространства равно:

Число рядов труб, омываемых потоком  в межтрубном пространстве:

, округляя в большую сторону  получим 6. Число сегментных перегородок  х = 22, диаметр штуцеров к кожуху  – 0,2 м, скорость потока в  штуцерах:

Скорость газа в наименее узком  сечении межтрубного пространства равна:

В межтрубном пространстве следующие  местные сопротивления: вход и выход  паров через штуцера, 22 поворота через сегментные перегородки и 23 сопротивления трубного пучка  при его поперечном обтекании

Сопротивление межтрубного пространства равно:

Скорость в штуцере на выходе из теплообменника:

Скорость в штуцерах при  d=0,05м

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

     В данной работе проведен расчет кожухотрубчатого теплообменника (ГОСТ 15120-79) с трубами 25х2 мм и теплообменника типа «труба в трубе» (ГОСТ 9930-78), изготовленного из труб 219х6 мм (наружная труба) и 159х4,5 мм (внутренняя труба). Результаты расчетов показывают, что кожухотрубчатый теплообменник обладает рядом преимуществ перед теплообменником типа «труба в трубе»: имеет выше коэффициент теплопередачи, меньшую площадь поверхности, относительно равную массу, ниже по стоимости. На основании всех этих показателей можно сделать вывод о том, что рациональнее выбрать кожухотрубчатый теплообменник для обеспечения  должного теплообмена и достижения  более высоких тепловых нагрузок на единицу массы аппарата. Среди двух рассчитанных вариантов кожухотрубного теплообменника остановимся на варианте 1 т.к. он имеет меньшую массу чем вариант 2 и достаточный запас прочности. Выбранный теплообменник:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список используемых источников:

 

 

1. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А., «Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии». Л.: Химия, 1983.
2. Борисов Г.С., Брыков В.П., Дытнерский Ю.И. и другие, «Основные процессы и аппараты химической технологии». М.: Химия, 1991
3. «Справочник химика» под ред. Никольского т.3, Л.: Химия, 1971
4. Авербух Я.Д., Заостровский Ф.П., Матусевич Л.Н., «Процессы и аппараты химической технологии: курс лекций» Ч.2: «Теплообменные и массообменные процессы». Свердловск: изд. УПИ, 1973
5. Локотанов Н.С. «Процессы и аппараты химической технологии: Методические указания к курсовому проектированию». Свердловск: изд. УПИ, 1985