Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Расчет кожухотрубного теплообменника. 2

Содержание

Введение…………………………………………………………..............…….3

1. Физико-механические свойства нагреваемого теплоносителя…………...4

2.Виды теплообменников………………………………….………………......5

2.1. Рекуперативные теплообменники………………………….…..………5

2.2. Кожухотрубчатые теплообменники ……………………….…..………..6

2.3.Регенеративные теплообменники………………………….…………..15

2.4.Смесительные теплообменники……………………………………..15

3.Физические свойства воды…………………………….……………..........16

4. Теплотехнические расчёты ……………………………………………….18

4.1.Тепловой расчёт…………………………………………………..……...18

4.2.Тепловой поверочный расчёт………………………………...………..22

4.3. Гидравлический расчет аппарата………………………………………24

5. Техника безопасности………………………………………...……..…….26

Литература……………………………………………………..………...…...27

Введение

Теплообменники – аппараты, в которых происходит теплообмен между рабочими средами независимо от их технологического или энергетического назначения (подогреватели, выпарные аппараты, конденсаторы, пастеризаторы, испарители и др.).

Классификация теплообменников возможна по нескольким признакам:

1. По способу передачи тепла различают теплообменники смешения, в которых рабочие среды непосредственно соприкасаются или перемешиваются, и поверхностные теплообменники – рекуператоры, в которых тепло передается через поверхность нагрева – твердую (металлическую) стенку, разделяющую эти среды.

2. По основному назначению различают подогреватели, испарители, холодильники, конденсаторы.

В зависимости от вида рабочих сред различают теплообменники:

– жидкостно-жидкостные – при теплообмене между двумя жидкими средами;

– паро-жидкостные – при теплообмене между паром и жидкостью;

– газо-жидкостные – при теплообмене между газом и жидкостью.

3. По тепловому режиму различают теплообменники периодического действия, в которых наблюдается нестационарный процесс, и непрерывного действия с установившимся во времени процессом.

В качестве теплоносителя наиболее широко применяется насыщенный или слегка перегретый водяной пар. В смесительных аппаратах пар обычно впускают под уровень жидкости, при этом конденсат пара смешивается с продуктом, что не всегда допустимо. В поверхностных аппаратах пар конденсируется на поверхности теплообмена, и конденсат удаляется отдельно от продукта с помощью водоотводчиков.

Физико-механические свойства нагреваемого теплоносителя.

Вода - это прозрачная жидкость без запаха, вкуса, а в малом объеме и без цвета, Молекулярная масса воды - 18,0160, химическая формула - Н2О. Максимальная плотность дистиллированной воды - 1 г/см куб. при температуре 3,982 градуса и нормальном давлении 1 атм.

Вода обладает способностью поглощать большое количество теплоты и сравнительно мало при этом нагреваться. У воды очень высокая скрытая теплота плавления льда (79 кал/г) и испарения (539 кал/г при 100 гр. С), т. е. она поглощает значительное количество дополнительной теплоты при неизменности температуры в процессе замерзания и при кипении.

Удельная теплоемкость воды выше, чем у большинства веществ (кроме водорода и аммиака): при 100 градусах=0,487 кал/г- град, а при 15 градусах=1,000 кал/г град

Диэлектрическая проницаемость воды (Е в единицах СГСЭ) 81,0 при 20 градусах (это объясняет наличие у воды особых свойств, в частности способности растворять многие вещества).

Вязкость при 20 градусах=1,005 сантипуаза (спз). При О градусов вязкость чистой воды 1,789 спз, а при 100 градусах - только 0,282, т. е. в 6 раз меньше. Вязкость водяного пара при 15 градусах всего 0,006 спз, т.е. значительно меньше, чем у воды при той же температуре.

Температура на входе нагреваемого теплоносителя: ;
Температура на выходе нагреваемого теплоносителя: ;
Среднее давление нагреваемого теплоносителя: ;
Объёмный расход нагреваемого теплоносителя: ;
Средняя теплопроводность материала в диапазоне 100÷150 ⁰ С: (материал 08Х18Н10);

2.Виды теплообменников.

Теплообменник – устройство для передачи тепла от одного теплоносителя к другому.

Теплообменный аппарат – автономное теплопередающее устройство, состоящее из теплопередающего элемента (элементов) и полостей для движения теплоносителей. Имеет устройства для входа и выхода теплоносителей. Число, состав и схема соединения элементов в аппарате могут быть любыми.

Система теплообменников – совокупность теплообменников, расположенных в ряд параллельно, либо в любой другой последовательности. Теплообменники в системе отличаются составом теплоносителей.

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.

2.1. 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.

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.

2.2.Кожухотрубчатые теплообменники

Основными элементами кожухотрубчатых теплообменников являются пучки труб, трубные решетки, корпус, крышки, патрубки. Концы труб крепятся в трубных решетках развальцовкой, сваркой и пайкой.

Рис.1 кожухотрубчатый теплообменник

Для увеличения скорости движения теплоносителей с целью интенсификации теплообмена нередко устанавливают перегородки как в трубном, так и в межтрубном пространствах.

Кожухотрубчатые теплообменники могут быть вертикальными, горизонтальными и наклонными в соответствии с требованиями технологического процесса или удобства монтажа. В зависимости от неличины температурных удлинений трубок и корпуса применяют кожухотрубчатые теплообменники жесткий, полужесткой и нежесткой конструкции.

Аппараты жесткой конструкции используют при сравнительно небольших разностях температур корпуса и пучка труб; эти теплообменники отличаются простотой устройства.

В кожухотрубчатых теплообменниках нежесткой конструкции предусматривается возможность некоторого независимого перемещения теплообменных труб и корпуса для устранения дополнительных напряжений от температурных удлинений. Нежесткость конструкции обеспечивается сальниковым уплотнением на патрубке или корпусе, пучком U образных труб, подвижной трубной решеткой закрытого и открытого типа.

В аппаратах полужесткой конструкции температурные деформации компенсируются осевым сжатием или расширением специальных компенсаторов, установленных па корпусе. Полужесткая конструкция надежно обеспечивает компенсацию температурных деформаций, если они не превышают 10—15 мм, а условное давление в межтрубном пространстве составляет не более 2,5 кгс/см².

Элементные (секционные) теплообменники

Эти теплообменники состоят из последовательно соединенных элементов—секций. Сочетание нескольких элементов с малым числом труб соответствует принципу многоходового кожухотрубчатого аппарата, работающего на наиболее выгодной схеме — противоточной. Элементные теплообменники эффективны в случае, когда теплоносители движутся с соизмеримыми скоростями без изменения агрегатного состояния. Их также целесообразно применять при высоком давлении рабочих сред. Отсутствие перегородок снижает гидравлические сопротивления и уменьшает степень загрязнения межтрубного пространства. Однако по сравнению с многоходовыми кожухотрубчатыми теплообменниками элементные теплообменники менее компактны и более дороги из-за увеличения числа дорогостоящих элементов аппарата—трубных решеток, фланцевых соединений, компенсаторов и др. Поверхность теплообмена одной секции применяемых элементных теплообменников составляет 0,75—30 м², число трубок — от 4 до 140.

Рис.2 Элементный (секционный) теплообменник

Двухтрубные теплообменники типа “труба в трубе”

Теплообменники этого типа состоят из ряда последовательно соединенных звеньев. Каждое звено представляет собой две соосные трубы. Для удобства чистки и замены внутренние трубы обычно соединяют между собой «калачами» или коленами. Двухтрубные теплообменники, имеющие значительную поверхность нагрева, состоят из ряда секций, параллельно соединенных коллекторами. Если одним из теплоносителей является насыщенный пар, то его, как правило, направляют в межтрубное (кольцевое) пространство. Такие теплообменники часто применяют как жидкостные или газожидкостные. Подбором диаметров внутренней и наружной труб можно обеспечить обеим рабочим средам, участвующим в теплообмене, необходимую скорость для достижения высокой интенсивности теплообмена.

Преимущества двухтрубного теплообменника: высокий коэффициент теплоотдачи, пригодность для нагрева или охлаждения сред при высоком давлении, простота изготовления, монтажа и обслуживания.
Недостатки двухтрубного теплообменника — громоздкость, высокая стоимость вследствие большого расхода металла на наружные трубы, не участвующие в теплообмене, сложность очистки кольцевого пространства.

Рис.3 Двухтрубный теплообменник типа “труба в трубе”

Витые теплообменники

Поверхность нагрева витых теплообменников компонуется из ряда концентрических змеевиков, заключенных в кожух и закрепленных в соответствующих головках. Теплоносители движутся по трубному и межтрубному пространствам. Витые теплообменники широко применяют в аппаратуре высокого давления для процессов разделения газовых смесей методом глубокого охлаждения. Эти теплообменники характеризуются способностью к самокомпенсации, достаточной для восприятия деформаций от температурных напряжений.

Рис.4 Витой теплообменник

Погружные теплообменники

Теплообменники этого типа состоят из плоских или цилиндрических змеевиков (аналогично витым), погруженных в сосуд с жидкой рабочей средой. Вследствие малой скорости омывания жидкостью и низкой теплоотдачи снаружи змеевика погружные теплообменники являются недостаточно эффективными аппаратами. Их целесообразно использовать, когда жидкая рабочая среда находится в состоянии кипения или имеет механические включения, а также при необходимости применения поверхности нагрева из специальных материалов (свинец, керамика, ферросилид и др.), для которых форма змеевика наиболее приемлема.

Оросительные теплообменники

Оросительные теплообменники представляют собой ряд расположенных одна над другой прямых труб, орошаемых снаружи водой. Трубы соединяют сваркой или на фланцах при помощи «калачей». Оросительные теплообменники применяют главным образом в качестве холодильников для жидкостей и газов или как конденсаторы. Орошающая вода равномерно подается сверху через желоб с зубчатыми краями. Вода, орошающая трубы, частично испаряется, вследствие чего расход ее в оросительных теплообменниках несколько ниже, чем в холодильниках других типов. Оросительные теплообменники — довольно громоздкие аппараты; они характеризуются низкой интенсивностью теплообмена, но просты в изготовлении и эксплуатации. Их применяют, когда требуется небольшая производительность, а также при охлаждении химически агрессивных сред или необходимости применения поверхности нагрева из специальных материалов (например, для охлаждения кислот применяют аппараты из кислотоупорного ферросилида, который плохо обрабатывается).

Ребристые теплообменники

Ребристые теплообменники применяют для увеличения теплообменной поверхности оребрением с той стороны, которая характеризуется наибольшими термическими сопротивлениями. Ребристые теплообменники (калориферы) используют, например, при нагревании паром воздуха или газов. Важным условием эффективного использования ребер является их плотное соприкосновение с основной трубой (отсутствие воздушной прослойки), а также рациональное размещение ребер.

Ребристые теплообменники широко применяют в сушильных установках, отопительных системах и как экономайзеры.

Спиральные теплообменники

В спиральных теплообменниках поверхность нагрева образуется двумя тонкими металлическими листами, приваренными к разделительной перегородке (керну) и свернутыми в виде спиралей. Для придания листам жесткости и прочности, а также для фиксирования расстояния между спиралями к листам с обеих сторон приварены дистанционные бобышки. Спиральные каналы прямоугольного сечения ограничиваются торцовыми крышками. Уплотнение каналов в спиральных теплообменниках осуществляют различными способами. Наиболее распространен способ, при котором каждый канал с одной стороны заваривают, а с другой уплотняют плоской прокладкой. При этом предотвращается смешение теплоносителей, а в случае неплотности прокладки наружу может просачиваться только один из теплоносителей. Кроме того, такой способ уплотнения дает возможность легко чистить каналы.Если материал прокладки разрушается одним из теплоносителей, то один канал заваривают с обеих сторон (“глухой” канал), а другой уплотняют плоской прокладкой. При этом “глухой" канал недоступен для механической очистки.Уплотнение плоской прокладкой обоих открытых (сквозных) каналов применяют лишь в тех случаях, когда смешение рабочих сред (при нарушении герметичности) безопасно и не вызывает порчи теплоносителей.Сквозные каналы также можно уплотнить, при более или менее постоянном давлении в каналах, спиральными U-образными манжетами, прижимаемыми силой внутреннего давления к выступам в крышке.Спиральные теплообменники отличаются компактностью, малыми гидравлическими сопротивлениями и значительной интенсивностью теплообмена при повышенных скоростях теплоносителей.Недостатки спиральных теплообменников — сложность изготовления и ремонта, невозможность применения их при давлении рабочих сред свыше 10 кгс/см².

Рис.5 Спиральный теплообменник

Пластинчатые теплообменники

В последнее время распространены пластинчатые разборные теплообменники, отличающиеся интенсивным теплообменом, простотой изготовления, компактностью, малыми гидравлическими сопротивлениями, удобством монтажа и очистки от загрязнений.

Эти теплообменники состоят из отдельных пластин, разделенных резиновыми прокладками, двух концевых камер, рамы и стяжных болтов.Пластины штампуют из тонколистовой стали (толщина 0,7 мм). Для увеличения поверхности теплообмена и турбулизации потока теплоносителя проточную часть пластин выполняют гофрированной или ребристой, причем гофры могут быть горизонтальными или расположены “в елку” (шаг гофр 11,5; 22,5; 30 мм; высота 4—7 мм).

К пластинам приклеивают резиновые прокладки круглой и специальной формы для герметизации конструкции; теплоноситель направляют либо вдоль пластины, либо через отверстие в следующий канал.

Движение теплоносителей в пластинчатых теплообменниках может осуществляться прямотоком, противотоком и по смешанной схеме. Поверхность теплообмена одного аппарата может изменяться от 1 до 160 м², число пластин—от 7 до 303.

В пластинчатых теплообменниках температура теплоносителя ограничивается 150°С (с учетом свойств резиновой прокладки), давление не должно превышать 10 кгс/см².

Рис.6 Пластинчатый теплообменник

Графитовые теплообменники

Эти теплообменники составляют отдельную группу. Высокая коррозионная стойкость и значительная теплопроводность делают графит незаменимым в некоторых производствах. Промышленностью выпускаются блочные, кожухотрубчатые, оросительные теплообменники и погружные теплообменные элементы.

Блочный графитовый теплообменник представляет собой один или несколько прямоугольных или цилиндрических блоков, имеющих две системы непересекающихся, перпендикулярных отверстий, создающих перекрестную схему движения теплоносителей. Каждая система отверстий имеет графитовые крышки для ввода и вывода рабочих сред. На крышки накладывают металлические плиты и систему стягивают болтами, создавая в графите наименее опасные напряжения сжатия.

Рис.7 Графитовые теплообменники

2.3.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.

2.4.Смесительные теплообменники

Смесительный теплообменник (или контактный теплообменник) — теплообменник, предназначенный для осуществления тепло- и массообменных процессов путем прямого смешивания сред (в отличие от поверхностных теплообменников). 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.

3. Физические свойства воды.

1. Плотность воды. В физике плотность неоднородной сплошной среды — предел отношения массы вещества этой среды m к объему V, в котором она заключена:

2. Сжимаемостью жидкости (воды) называется свойство уменьшения объема под влиянием повышения внешнего давления. Величиной, обратной сжимаемости, является объемная упругость. Сжимаемость характеризуется коэффициентом сжимаемости β, который равен отношению относительного изменения объема жидкости V к изменению давления P и определяется по формуле

3. Теплоемкость — это количество теплоты, поглощаемой телом при нагревании его на 1 °С. Определяется она по формуле

C = dQ/dt или C = Q/Δt

где dQ — бесконечно малое количество теплоты, вызвавшее бесконечно малое повышение температуры dt; Δt = t2 - t1 — изменение температуры тела, происходящее в результате подвода к нему количества теплоты Q; t1 и t2 — температура тела до и после подвода к нему теплоты.

Характеристикой теплоемкости вещества принята удельная теплоемкость — отношение теплоемкости тела к его массе:

c = C/m или c = Q/(m Δt)

4. Удельная теплоемкость воды — это количество теплоты, необходимое для нагревания 1кг дистиллированной воды на 1°С в пределах 14,5 -15,5°С. Удельная теплоемкость воды слабо зависит от температуры, поэтому в практических расчетах ее значение может быть принято постоянным, равным 4,2 кДж/(кг·°С).

Температуропроводность — физический параметр вещества и, в частности, воды, способствующий передаче теплоты таким образом, что температура в каждой точке стремится к соответствующему в данный момент установившемуся состоянию. Характеристикой температуропроводности является коэффициент температуропроводности a = λ/(cρ), где λ — коэффициент теплопроводности. Коэффициент температуропроводности воды слабо зависит от температуры: при температуре, равной 0 и 10°С, a соответственно равно 0,485·10-3 и 0,504·10-3 м2ч.

Вязкость. Вязкость есть физическое свойство вещества (жидкости, газа, твердого тела) оказывать сопротивление перемещению одной его части относительно другой. Вязкость является одним из главных свойств воды. Различают объемную и тангенциальную вязкость. Под объемной вязкостью понимают способность жидкости воспринимать растягивающие усилия. Этот вид вязкости воды проявляется, например, при распространении в ней звуковых и особенно ультразвуковых волн. Тангенциальная вязкость характеризует способность жидкости оказывать сопротивление сдвигающим усилиям.

По закону Ньютона, силы внутреннего трения пропорциональны градиенту скорости по нормали и площади, на которую они действуют. Относя силу внутреннего трения к площади, равной единице, получаем касательное напряжение в жидкости. Оно определяется по формуле

τ = μ dυ/dn

Динамический коэффициент вязкости воды в сильной степени зависит от температуры, но почти не зависит от давления. Значение этого коэффициента для пресной воды, полученное опытным путем для

t°С = 0°С, μ = 1,793·103 Па·с. При расчете динамического коэффициента вязкости применяют эмпирическую формулу Пуазейля:

μ = 0,000183/(1 + 0,0337t + 0,000221t2),

где t — температура воды.

4. Теплотехнические расчёты

Для обоснований геометрических размеров должен быть выполнен расчет. В задачу расчета входят тепловой, тепловой поверочный, гидравлический расчёты.

4.1.Тепловой расчёт

Исходные данные:

Наружный диаметр трубок:;
Внутренний диаметр трубок: ;
Температура на входе греющего теплоносителя: ;
Среднее давление греющего теплоносителя: ;
Объёмный расход греющего теплоносителя: ;
Температура на входе нагреваемого теплоносителя: ;
Температура на выходе нагреваемого теплоносителя: ;
Среднее давление нагреваемого теплоносителя: ;
Объёмный расход нагреваемого теплоносителя: ;
Средняя теплопроводность материала в диапазоне 100÷150 ⁰ С: (материал 08Х18Н10);
Мощность теплового потока: ;

Результаты расчёта:

Теплофизические параметры нагреваемого теплоносителя:

плотность: ;
энтальпия: ;
теплопроводность: ;
критерий Прандтля: ;
кинематическая вязкость: ;
теплоёмкость: ;

Определяем расход теплоты на нагревание продукта:

Средняя температура греющего теплоносителя T:

Теплофизические параметры греющего теплоносителя:

плотность: ;

энтальпия: ;

теплопроводность: ;

критерий Прандтля:

кинематическая вязкость: ;

теплоёмкость: ;

Объёмный расход греющей воды в СИ: ;

Объёмный расход нагреваемой воды в СИ: ;

Задаёмся скоростью течения жидкости из условия ω_min=1,5 м/сек для воды в пучке из труб: ;

Отсюда, площадь проходного сечения для нагреваемой среды:

F₂= V₂/ω₂=0,0008263/2,914=0,0002809 м²;

Т.к. у нас выбраны трубы 22*1,5 мм, тогда определяем число трубок в одном ходу не более: ;

Задаёмся числом трубок в одном ходу: ;

Уточняем скорость нагреваемой среды:

;

Определяем критерий Рейнольдса для нагреваемой среды в трубках:

;

Определяем критерий Нуссельта (Re=10⁴÷10⁶; Pr=0,6÷200):

процесс нагревания n=0,11

поправка на тепловой процесс E_m=1,0022248

поправочный коэффициент ξ=0,0156391

Коэффициент теплоотдачи от стенки к нагреваемой среде:

;

Задаёмся числом ходов теплообменного аппарата: ;

Определяем шаг труб по расположению в треугольник (по табличным данным в соответствии с нормалями НИИХИММАШа и способа крепления [17,18]):

S = 0,03 м – для сальниковых уплотнений, зависит от d_нар можно поменять S=d_нар+9мм для припаянных или приваренных трубок S=1,25d_нар;

Далее по тому же источнику определяем отношение D’/S:

D’/S= 4 – по табличным данным зависит от количества труб в одном теплообменнике;

Определяем диаметр шестиугольника по вершинам которого располагаются трубы: D’= 0,12 м;

Отсюда внутренний диаметр кожухотрубного теплообменника (из условия ближайший больший и доступный на рынке диаметр трубы):

D_внтр=0,209м;

Площадь поперечного сечения, занимаемое трубками:

ΣF_тр=n_х*(π_*d_нар²/2)=18_*(π_*0,022²/2)=0,0068424 м²;

Площадь внутреннего сечения кожуха:

F_D=π_*D_внтр²/2=0,034307 м²;

Площадь пролётного сечения для греющей воды:

F₁= F_D - ΣF_тр =0,0274646 м²;

Находим омываемый периметр:

Р=π_*D_внтр+(n_0*n_х)_*π_*d_нар= 1,9006636 м;

Средняя скорость течения греющей среды:

ω₁=V₁/F₁=0,0025/0,0274646=0,0910263 м/с;

Средний омываемый диаметр пролётного сечения или эквивалентный диаметр:

d_Э=4_*F₁/P=4_*0,0274646/1,9006636=0,0578 м;