Ирина Эланс
Расчет кожухотрубчатого теплообменника. 3
Санкт-Петербургский Технологический Университет Растительных Полимеров
Кафедра процессов и аппаратов химической технологии
Курсовой проект на тему:
Расчет кожухотрубчатого теплообменника
Санкт-Петербург
2015г.
Содержание
Введение…………………………………………………………
Расчет кожухотрубчатого теплообменника……………...…………….……
Результат расчета……………………………………………………...
Библиографический список..……………………………………………....…
Введение
Тепловой расчет теплообменных аппаратов является основным необходимым элементом при проектировании теплообменных установок. От того насколько корректно произведен этот расчет, будет зависеть эффективность его работы.
Существует много типов теплообменников. В промышленности применяют, холодильники, подогреватели, конденсаторы, испарители и кипятильники. Кожухотрубчатые теплообменники относятся к числу наиболее часто применяемых поверхностных теплообменников. В кожухотрубчатом теплообменнике одна из обменивающихся теплом сред движется внутри труб, а другая - в межтрубном пространстве. Среды обычно направляют противотоком друг к другу. При этом нагреваемую среду направляют снизу вверх, а среду отдающую тепло - сверху вниз. Такое направление движения каждой среды совпадает с направлением, в котором стремится двигаться данная среда под влиянием изменения ее плотности при нагревании или охлаждении.
В данной работе рассматриваются поверхностные теплообменники непрерывного действия.
Порядок расчета теплообменников:
1) Определение тепловой нагрузки аппарата, средней движущей силы, и средних температур теплоносителей.
2) Определение расходов второго вещества из теплового баланса.
3) Определение
ориентировочной площади
движения теплоносителей.
4) Предварительный выбор нормализованного теплообменника по
принятым параметрам.
5) Определение
частных коэффициентов
6) Определение
общего коэффициента
7) Определение расчетной поверхности теплообмена по основному уравнению теплопередачи и окончательный выбор нормализованного теплообменника. Определение запаса поверхности теплообмена, необходимого для обеспечения длительной работы аппарата, так как на поверхности труб и кожуха образуются разного вида загрязнения (отложение нерастворимых осадков, накипеобразование, ржавчина и т д ) которые снижают эффективность процесса теплообмена,
уменьшая коэффициент теплопередачи.
Назначение программы
Программа Heat Exchangers Design (HeatExchange) предназначена для проведения ряда тепловых расчетов следующих видов теплообменников:
теплообменника труба-в-трубе (агрегатное состояние продукта и теплоносителя не меняется);
кожухотрубчатого теплообменника (агрегатное состояние, как продукта, так и теплоносителя может изменяться);
пластинчатого теплообменника (агрегатное состояние продукта и теплоносителя не меняется);
внутреннего концентрического змеевика емкостного аппарата (агрегатное состояние продукта в аппарате не меняется, в змеевике возможна конденсация паров теплоносителя);
рубашек емкостного аппарата, выполненных из труб, полутруб, уголка или швеллера (агрегатное состояние продукта в аппарате не меняется, в рубашке возможна конденсация паров теплоносителя).
В состав программного комплекса также входит справочник теплофизических свойств веществ, содержащий зависимости характеристик используемых рабочих сред и теплоносителей от температуры: плотность, вязкость, удельная теплоемкость, коэффициент теплопроводности, коэффициент объемного расширения, коэффициент поверхностного натяжения, удельная теплота парообразования, а также коэффициенты теплопроводности материалов стенок и изоляционных материалов. Программный комплекс может применяться в проектных отделах химических предприятий, а также в учебном процессе при обучении студентов соответствующих специальностей.
Требования к конфигурации компьютера
Для функционирования программы необходим персональный компьютер IBM PC, работающий под управлением операционной системы семейства Microsoft Windows, версии не ниже Windows 98 и с установленным пакетом Microsoft .NET Framework 2.0 или более поздней версии. Желательно наличие Microsoft Word 2003 или более поздней версии для сохранения результатов расчета программы в соответствующем формате (*.doc, *.rtf и т.п.) и вывода на печать.
Используемая методика расчета
Для решения задачи теплообмена требуется задать ряд исходных и справочных данных. При выборе вещества из базы данных все его известные теплофизические свойства задаются автоматически. Также допускается их ввод пользователем системы.
Для продукта, если его фазовое состояние не меняется, требуется задать температуру на входе и выходе теплообменника, а также массовый расход. Если фазовое состояние продукта изменяется (продукт конденсируется или испаряется), то необходимо задать его давление (для чистого вещества), или температуру кипения (для смеси), а также массовый расход. Если в теплообменнике происходит подогрев жидкости до температуры кипения и (или) перегрев паров, охлаждение паров до температуры конденсации и (или) переохлаждение конденсата, также необходимо задать температуру на входе и выходе теплообменника.
Для теплоносителя, если его фазовое состояние не меняется, необходимо задать начальную температуру и еще один параметр: конечную температуру либо массовый расход. В случае изменения фазового состояния теплоносителя задается его давление (для чистого вещества) или температура кипения (для смеси).
Расчет требуемой поверхности теплообмена состоит из нескольких этапов [1, 2]:
1. Определение тепловой
нагрузки аппарата по продукту,
среднего логарифмического
2. Определение из теплового
баланса расхода теплоносителя (если
задана его конечная
3. Если выбран ориентировочный вид расчета (для кожухотрубчатого теплообменника, внутреннего змеевика или рубашки) или расчет по заданному коэффициенту теплопередачи Kt , производится определение ориентировочной площади поверхности теплообмена. Если выбран поверочный тип расчета, то см. п.5.
4. Предварительный выбор теплообменника по найденной поверхности теплообмена.
5. Определение коэффициентов
теплоотдачи для продукта и
теплоносителя с
6. Определение температур
стенок со стороны продукта
и теплоносителя из решения
системы уравнений баланса
7. Пересчет коэффициента
теплопередачи с учетом
8. Определение расчетной
поверхности теплообмена по
Расчет коэффициентов теплоотдачи
Выбор уравнений для уточненного расчета коэффициентов теплоотдачи зависит от характера теплообмена (без изменения агрегатного состояния, кипение или конденсации), от вида выбранной поверхности теплообмена (плоской, трубчатой), от типа конструкции (кожухотрубчатый теплообменник, змеевик, рубашка и др.), от режима движения теплоносителя (турбулентный, промежуточный или ламинарный) [2]. В общем виде критериальная зависимость для определения коэффициентов теплоотдачи имеет вид:
,
где:
– критерий Нуссельта;
– критерий Грасгофа;
– критерий Прандтля;
– критерий Рейнольдса;
β – коэффициент объемного расширения, К-1
d – диаметр аппарата, м;
l – геометрический параметр аппарата, м;
c, λ, µ, – удельная теплоемкость, коэффициент теплопроводности, динамическая вязкость (Дж/кг°К, Вт/м°К, Па·с, м²/с);
v – скорость потока, м/с;
ρ – плотность конденсата, кг/м³;
∆t – разность температур между стенкой и средой, °К.
Во многие расчетные формулы для определения коэффициента теплоотдачи в явном или неявном виде входит температура стенки.
Таким образом, в общем виде выражения для расчета коэффициентов теплоотдачи можно записать в следующем виде:
Ниже приводятся выражения для расчета коэффициентов теплоотдачи, используемые в системе.
Для случая свободной конвекции жидкости или газа (емкостной аппарат без перемешивающего устройства, теплоотдача от тепловой изоляции в окружающий воздух и т.п.) [3], с.134:
, если Gr·Pr ≤ 500;
, если 500 < Gr·Pr ≤ 2·107;
, если Gr·Pr > 2·107,
где Н – высота теплообменной поверхности;
Prст – значение критерия Прандтля при температуре стенки.
Для случая вынужденного движения жидкости или газа по трубам и каналам (кожухотрубчатый теплообменник, «труба-в-трубе») [3], с.128, 129:
, если Re > 10000 (турбулентный режим);
, если 2300 ≤ Re < 10000 (переходный режим);
, если Re < 2300 (ламинарный режим),
где d – внутренний диаметр трубы (эквивалентный диаметр канала).
Для случая поперечного обтекания жидкостью или газом пучка труб (межтрубное пространство кожухотрубчатого теплообменника) [3], с.130, 131:
, если Re ≥ 1000 и в трубной решетке шахматное расположение труб;
, если Re ≥ 1000 и в трубной решетке рядное расположение труб;
, если Re < 1000,
где dн – наружный диаметр трубы
Для случая кипения жидкости на наружной поверхности пучка труб (кипение в межтрубном пространстве кожухотрубчатого теплообменника) [4], с.151:
,
где p – давление паров чистого вещества или смеси, МПа; Ф принимает следующие значения: 1 – для воды, 0,204 – для рассола, 0,155 – для сахара (25%), 0,02 – для бензола, 0,025 – для толуола, 0,074 – для этанола и 0,033 – для метанола.
Для случая кипения жидкости при вынужденном движении в трубах (кипение в трубном пространстве кожухотрубчатого теплообменника) [3], с.137, 138:
,
где ρп - плотность пара, кг/м3;
σ - коэффициент поверхностного натяжения, Н·м.
Для случая конденсации пара в вертикальном аппарате (конденсация в трубном и межтрубном пространстве вертикального кожухотрубчатого теплообменника) [4], с.150:
,
где r – удельная теплота конденсации (парообразования), Дж/кг;
H – рабочая высота вертикальной трубы, м.
Для случая конденсации пара в горизонтальном аппарате (конденсация в трубном и межтрубном пространстве горизонтального кожухотрубчатого теплообменника) [4], с.150:
Для случая турбулентного перемешивания в аппарате с механическими мешалками (вертикальный аппарат с перемешивающим устройством) [5], с.160:
,
где N – мощность, затрачиваемая на перемешивание, Вт;
V – объём среды в аппарате, м3.
Для случая вынужденного движения жидкости в змеевике, рубашке из полутруб (движение жидкости во внутреннем концентрическом змеевике, рубашке емкостного аппарата, выполненной из труб, полутруб, уголка или швеллера) [5], с.170:
,
где dз – внутренний диаметр трубы змеевика или эквивалентный диаметр канала рубашки, м;
μст – динамическая вязкость жидкости при температуре стенки, Па·с;
εt – поправка на изогнутость канала змеевика или рубашки.
Для случая конденсации пара в змеевике, рубашке из полутруб (конденсация пара во внутреннем концентрическом змеевике, рубашке емкостного аппарата, выполненной из труб, полутруб, уголка или швеллера) [5], с.171:
если Reп < 35000;
во всех остальных случаях,
где Reп – критерий Рейнольдса для пленки конденсата;
Gк – массовый расход конденсата, кг/с.
Для случая движения жидкости в пластинчатом теплообменнике [4], с.178:
,
где dэ – эквивалентный диаметр каналов пластин теплообменника, м.
Работа с программой
Приемы работы с документами
Каждый документ системы Heat Exchangers Design хранится в отдельном файле на диске (файлы документов имеют расширение *.he) и при необходимости загружается в систему (открывается).
Интерфейс пользователя программы является MDI-интерфейсом (англ. MDI – Multiple Document Interface), и позволяет одновременно открывать несколько документов. При этом работа с документами в Heat Exchangers Design практически ничем не отличается от подобной работы в других приложениях Microsoft Windows.
Для просмотра текущего списка открытых документов необходимо выбрать в верхнем меню программы пункт Окно.
Создание
Для создания нового документа выполните команду верхнего меню Файл – Создать – «Требуемый тип теплообменника». Другим способом создания нового документа является выбор его из меню кнопки Создать.
После выполнения команды Создать в главном окне программы появится новый документ, соответствующий выбранному типу теплообменника.
Открытие
Чтобы открыть существующий документ, выполните команду верхнего меню Файл – Открыть. Другим способом открытия документа является щелчок левой клавишей мыши на кнопке Открыть на панели инструментов или нажатие сочетания клавиш на клавиатуре Ctrl+O. В появившемся на экране диалоговом окне укажите имя файла и нажмите кнопку Открыть.
Сохранение
Для сохранения документа на диске вызовите команду Файл – Сохранить. Другим способом сохранения документа является щелчок левой клавишей мыши на кнопке Сохранить на панели инструментов или нажатие сочетания клавиш на клавиатуре Ctrl+S. Документ будет автоматически сохранен в той же папке и в том же файле, что и в последний раз. При необходимости Вы можете сохранить документ под другим именем или в другой папке, выполнив команду Файл — Сохранить как.
Закрытие
Чтобы закрыть документ, вызовите команду Файл — Закрыть. Другим способом закрытия документа является нажатие сочетания клавиш на клавиатуре Ctrl+W.
Если документ содержит несохраненные изменения, то на экране появится запрос на подтверждение закрытия документа.
Ввод и редактирование исходных данных
После выполнения команды Создать в главном окне программы будет создан новый документ, соответствующий выбранному типу теплообменника. Перед тем, как выполнить расчет, необходимо ввести исходные данные. Ввод осуществляется несколькими способами. Например, такие исходные данные как начальная температура, конечная температура, массовый расход, геометрические характеристики теплообменника вводятся непосредственно с клавиатуры (1). По-умолчанию, таким характеристикам присваивается значение NaN – (англ. Not-a-Number), буквальный перевод – «не число», т.е. фактически «никакое», пустое значение.
Такие данные, как тип расчета, назначение вещества/смеси, агрегатное состояние выбираются из выпадающих списков (2).
Выбор вещества/смеси для продукта и теплоносителя, материала стенки, материала изоляции для рубашек осуществляется при помощи диалоговых окон, которые открываются при нажатии на кнопку (3).
Диалоговое окно Смесь веществ позволяет задавать характеристики смеси нескольких веществ: добавлять (1), изменять (2) или удалять (3) компоненты смеси, задавать массовую долю каждого компонента (4), вводить наименование смеси в поле текстового ввода (5).
Если наименование смеси не введено, то оно формируется автоматически на основе введенных наименований компонентов, например, так: «Бензол (75); Ацетон (20)».
После нажатия на кнопку Добавить или Изменить откроется диалоговое окно Вещество.
С помощью этого диалогового окна можно изменять теплофизические характеристики веществ. Щелчок на ссылку Вещество в базе данных (1) откроет диалоговое окно, позволяющее выбрать требуемое вещество из справочника. В текстовом поле (2) можно задать наименование вещества. Если наименование вещества не задано, то будет использовано наименование из справочника. Список характеристик в таблице (3) зависит от вида теплового процесса, агрегатного состояния вещества. Колонка Значение из БД (значение из базы данных) (4) используется как индикатор наличия/отсутствия соответствующей характеристики в справочнике. Если значение в этой колонке равно NaN, то характеристики в справочнике нет, иначе отображаются значения при 25°C и давлении 0,1 МПа. Колонка Введенное значение (5) позволяет задать значение соответствующей характеристики, для чего необходимо сделать двойной щелчок левой клавишей мыши в соответствующую ячейку. Если характеристика есть и в справочнике, и введена в колонку Введенное значение (в данном примере значение динамической вязкости газа (пара) из справочника равно 8,2e-06, а веденное значение равно 7,5e-06), то при расчете будет использоваться введенное значение 7,5e-06. Чтобы вернуться к использованию значения из справочника, нужно ввести вместо 7,5e-06 значение NaN или 0.
Выполнение расчетов
Рассчитать
Чтобы начать расчет
Очистить окно расчета
Чтобы очистить окно расчета,
выполните команду верхнего
Передать в MS Word
Чтобы передать содержимое
окна расчета в текстовый
Настройки программы
Чтобы открыть диалоговое окно Параметры программы, выполните команду Сервис – Параметры….
Открывшееся диалоговое окно позволяет изменять параметры шрифтов заголовков различных уровней и текста. Для этого необходимо щелкнуть левой клавишей мыши на соответствующую ссылку (1), после чего откроется стандартное системное диалоговое окно Шрифт. Все изменения отображаются в окне просмотра (2).
Также в этом окне можно задать дополнительные параметры. Если отмечен флажок Использовать внесистемные единицы измерения, то в окне расчета и при вводе исходных данных будут использоваться внесистемные единицы измерения: вместо Па·с – сП; вместо Вт/(м·°К) – ккал/(ч·м·°С); вместо Дж/(кг·°К) – ккал/(кг·°С); вместо м.кв·°К /Вт – м.кв. ·°С ·ч./ккал; вместо 1/°К – 1/°С; вместо Дж/кг – ккал/кг; вместо Вт/(м.кв. ·°К) – ккал/(ч·м.кв. ·°С). Замечание: в данной версии программы РАБОТА СО СПРАВОЧНИКОМ ВЕЩЕСТВ (ВВОД НОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК В БАЗУ ДАННЫХ И РЕДАКТИРОВАНИЕ СУЩЕСТВУЮЩИХ) ОСУЩЕСТВЛЯЕТСЯ ТОЛЬКО В СИСТЕМНЫХ ЕДИНИЦАХ!
Если отмечен флажок Выводить характеристики веществ, то в окно расчета будет дополнительно выводиться значения всех теплофизических характеристик продукта и теплоносителя при их средней температуре соответственно.
Если отмечен флажок Выводить отладочную информацию, то в окно расчета будет дополнительно выводиться некоторые промежуточные значения переменных и прочая информация, полезная при отладке программы и поиске ошибок.
Справочник характеристик веществ
Для выполнения теплового расчета требуется большое количество справочных данных о теплофизических свойствах используемых рабочих сред, включающих в себя плотность, вязкость, удельную теплоемкость, коэффициент теплопроводности, коэффициент объемного расширения, коэффициент поверхностного натяжения, удельную теплоту парообразования. Все эти характеристики зависят от температуры.
Значения характеристик веществ представлены в реляционной базе данных на основе парадигмы «объект-свойство-значение». В окне интерфейса пользователя справочника данные представлены в виде иерархии (слева направо) Вещество → Зависимость → Значения зависимости.
В таблице Вещество хранится следующая информация: Наименование вещества (например, «Бензол»); Назначение вещества (одно из трех возможных значений: «Рабочая среда и теплоносители»; «Материалы стенки» или «Изоляционные материалы»); флажок Не отображать (если вещество из справочника временно не используется, то его можно не удалять из базы данных, а пометить как неотображаемое).
В таблице Зависимость хранится следующая информация: Наименование зависимости (например, «Динамическая вязкость паров аммиака от температуры»); Определяющая характеристика (как правило, это температура «Температура t, [гр.С]»); Зависимая характеристика (например, «Динамическая вязкость газа (пара) μп, [Па·с]»). Значения определяющей и зависимой характеристики представляют собой идентификаторы, взятые из справочника характеристик.
В таблице Значения зависимости хранятся пары значений X ↔Y(X) (Значение определяющей характеристики ↔ Значение зависимой характеристики).
Чтобы открыть окно работы со справочником характеристик веществ, выполните команду Сервис – Характеристики веществ.
Стандартные команды для работы с данными
Добавить новую запись. После выполнения этой команды открывается диалоговое окно, в котором нужно ввести необходимые значения полей новой записи.
Редактировать текущую запись. После выполнения этой команды открывается диалоговое окно, в котором можно отредактировать поля текущей записи.
Удалить текущую запись. После выполнения этой команды откроется диалоговое окно для подтверждения удаления текущей записи.
Обновить данные. После выполнения этой команды происходит повторное считывание содержимого таблиц из базы данных.
Расчет кожухотрубчатого теплообменника
Проверка исходных данных
Вещество/смесь во внутренней трубе является продуктом
Находится в жидком состоянии
Вещество/смесь во внешней трубе является теплоносителем/хладагентом
Находится в жидком состоянии
Проверка исходных данных для продукта и теплоносителя/хладагента
СООБЩЕНИЕ: Конечная температура теплоносителя/хладагента будет рассчитана
Проверка завершена успешно
Проверка теплофизических свойств веществ
Проверка завершена успешно
Проверка исходных данных завершена
Исходные данные
Трубное пространство
Состав смеси:
Этилацетат: 100%
Вещество/смесь является продуктом
Тепловой процесс без изменения агрегатного состояния
Вещество/смесь находится в жидком состоянии
Начальная температура, гр.С: 77
Конечная температура, гр.С: 30
Массовый расход, кг/ч: 26842
Межтрубное пространство
Состав смеси:
Вода и водяной пар: 100%
Вещество/смесь является теплоносителем/хладагентом
Тепловой процесс без изменения агрегатного состояния
Вещество/смесь находится в жидком состоянии
Начальная температура, гр.С: 10
Конечная температура, гр.С: 39,799
Массовый расход, кг/ч: 20000
Расчет
Значения температур
Средняя температура в трубном пространстве, гр.С: 53,500
Средняя температура в межтрубном пространстве, гр.С: 24,899
Средняя разность температур, гр.С: 27,717
Тепловой поток по продукту,
Вт:
Коэффициент теплопередачи, Вт/(м.кв.*К): 140
Ориентировочная поверхность теплообмена, м.кв.: 178,354
Расчет кожухотрубчатого теплообменника
Проверка исходных данных
Вещество/смесь во внутренней трубе является продуктом
Находится в жидком состоянии
Вещество/смесь во внешней трубе является теплоносителем/хладагентом
Находится в жидком состоянии
Проверка исходных данных для продукта и теплоносителя/хладагента
СООБЩЕНИЕ: Конечная температура теплоносителя/хладагента будет рассчитана
Проверка завершена успешно
Проверка теплофизических свойств веществ
Проверка завершена успешно
Проверка характеристик теплообменника
Проверка завершена успешно
Проверка исходных данных завершена
Исходные данные
Трубное пространство
Состав смеси:
Этилацетат: 100%
Вещество/смесь является продуктом
Тепловой процесс без изменения агрегатного состояния
Вещество/смесь находится в жидком состоянии
Начальная температура, гр.С: 77
Конечная температура, гр.С: 30
Массовый расход, кг/ч: 26842
Межтрубное пространство
Состав смеси:
Вода и водяной пар: 100%
Вещество/смесь является теплоносителем/хладагентом
Тепловой процесс без изменения агрегатного состояния
Вещество/смесь находится в жидком состоянии
Начальная температура, гр.С: 10
Конечная температура, гр.С: 39,799
Массовый расход, кг/ч: 20000
Параметры кожухотрубчатого теплообменника
Обозначение теплообменника:
Поверхность теплообмена, м.кв.: 193,600
Внутренний диаметр кожуха, мм: 800
Длина труб теплообменника, мм: 6000
Толщина стенок труб, мм: 2
Наружный диаметр труб, мм: 25
Число ходов по трубам: 4
Площадь проходного сечения одного хода по трубам, м.кв.: 0,033
Площадь проходного сечения в вырезе перегородки, м.кв.: 0,066
Площадь проходного сечения между перегородками, м.кв.: 0,070
Расположение труб в трубной
решетке:
Максимальное число рядов труб: 24
Материал труб: Медь (99,9%)
Расположение теплообменника: