Расчет кожухотрубчатого теблообменного аппарата для охлаждения фенола

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

кожухотрубный теплообменный аппарат фланец

Введение

1. Основная часть

1.1 Кожухотрубчатые теплообменные аппараты

1.2 Устройство и принцип действия

1.3 Область применения аппаратов

2. Расчет часть

2.1 Тепловой расчет теплообменных аппаратов

2.1.1 Определение тепловой нагрузки теплообменного аппарата

2.1.2 Тепловой баланс теплообменных аппаратов

2.2 Ориентировочный выбор теплообменного аппарата

2.2.1 Определение коэффициентов теплоотдачи и теплопередачи

2.3 Уточненный расчет поверхности теплопередачи

2.4 Конструктивный расчет теплообменного аппарата

2.4.1 Расчет толщины стенки днища

2.4.2 Выбор трубных решеток, способ размещения и крепления в них теплообменных труб и трубных решеток кожуху

2.4.3 Выбор крышек и днищ аппарата

2.4.4 Расчет диаметров штуцеров, выбор фланцев, прокладок и крепежных элементов

2.4.5 Установки компенсатора

Заключение

Список используемой литературы



Введение

Теплообменный аппарат -- устройство, в котором осуществляется теплообмен между двумя теплоносителями, имеющими различные температуры. По принципу действия теплообменники подразделяются на рекуператоры и регенераторы. В рекуператорах движущиеся теплоносители разделены стенкой. К этому типу относится большинство теплообменников различных конструкций. В регенеративных теплообменниках горячий и холодный теплоносители контактируют с одной и той же поверхностью поочерёдно.

Теплообменные аппараты предназначены для проведения процессов теплообмена при необходимости нагревания или охлаждения технологической среды с целью ее обработки или утилизации.

Теплообменные аппараты классифицируют по:

· по конструкции - аппараты, изготовленные из труб (кожухотрубчатые, «труба в трубе», оросительные, погружные, змеевиковые, воздушного охлаждения); аппараты, поверхность теплообмена которых изготовлена из листового материала (пластинчатые, спиральные, сотовые); аппараты с поверхностью теплообмена, изготовленной из неметаллических материалов (графита, пластмасс, стекла и др.);

· по назначению - холодильники, подогреватели, испарители, конденсаторы;

· по направлению движения теплоносителей - прямоточные, противоточные, перекрестного тока и др.

Кожухотрубчатые теплообменники наиболее распространенные. Их применяют в промышленности и на транспорте в качестве нагревателей, конденсаторов, охладителей, для различных жидких и газообразных сред.

Актуальность темы проекта заключается в том, что процессы передачи тепла с помощью теплообменников от одной жидкой среды к другой находят очень широкое применение в промышленной и коммунальной сфере, бытовом секторе. Часто мы просто пользуемся результатом теплообмена, не придавая этому никакого значения, не видя самого процесса.



1. Основная часть

1.1 Кожухотрубные теплообменные аппараты

Относятся к поверхностным теплообменным аппаратам рекуперативного типа. Широкое распространение этих аппаратов обусловлено прежде всего надежностью конструкции и большим набором вариантов исполнения для различных условий эксплуатации:

· Однофазные потоки, кипение и конденсация;

· Вертикальное и горизонтальное исполнение;

· Широкий диапазон давлений теплоносителей, от вакуума до 8,0 МПа;

· Площади поверхности теплообмена от малых (1 м²) до предельно больших (1000 м² и более);

· Возможность применения различных материалов в соответствии с требованиями к стоимости аппаратов, агрессивностью, температурными режимами и давлением теплоносителей;

· Использование различных профилей поверхности теплообмена как внутри труб, так и снаружи и различных турбулизаторов;

· Возможность извлечения пучка труб для очистки и ремонта.

Различают следующие типы кожухотрубных теплообменных аппаратов:

· Теплообменные аппараты с неподвижными трубными решетками (жесткотрубные ТА);

· Теплообменные аппараты с неподвижными трубными решетками и с линзовым компенсатором на кожухе;

· Теплообменные аппараты с плавающей головкой;

· Теплообменные аппараты с U- образными трубами.

Кожухотрубный теплообменный аппарат представляет из себя пучок теплообменных труб, находящихся в цилиндрическом корпусе (кожухе). Один из теплоносителей движется внутри теплообменных труб, а другой омывает наружную поверхность труб. Концы труб закрепляются с помощью вальцовки, сварки или пайки в трубных решетках. В кожух теплообменного аппарата с помощью дистанционных трубок устанавливаются перегородки. Перегородки поддерживают трубы от провисания и организуют поток теплоносителя в межтрубном пространстве, интенсифицируя теплообмен. К кожуху теплообменного аппарата привариваются штуцеры для входа и выхода теплоносителя из межтрубного пространства. На входе теплоносителя в межтрубное пространство в ряде случаев устанавливают отбойники, необходимые для уменьшения вибрации пучка труб, равномерного распределения потока теплоносителя в межтрубном пространстве и снижения эррозии ближайших к входному штуцеру труб. К кожуху теплообменного аппарата с помощью фланцевого соединения крепятся распределительная камера и задняя крышка со штуцерами для входа и выхода продукта из трубного пространства.

В зависимости от расположения теплообменных труб различают теплообменные аппараты горизонтального и вертикального типа.

В зависимости от числа перегородок в распределительной камере и задней крышке кожухотрубчатые теплообменные аппараты делятся на одноходовые, двухходовые и многоходовые в трубном пространстве.

В зависимости от числа продольных перегородок, установленных в межтрубном пространстве, кожухотрубные теплообменники делятся на одно - и многоходовые в межтрубном пространстве.

Теплообменники cнеподвижными трубными решетками применяются, если максимальная разность температур теплоносителей не превышает 80⁰С,и при сравнительно небольшой длине аппарата. Эти ограничения объясняются возникающими в кожухе и в теплообменных трубах температурными напряжениями, способными нарушить герметичность конструкции аппарата.

Для частичной компенсации температурных напряжений в кожухе и в теплообменных трубах используются специальные гибкие элементы (расширители, компенсаторы), установленные на кожухе аппарата. Такие теплообменники называются теплообменными аппаратами с температурным компенсатором на кожухе.

1.2 Устройство и принцип действия

Строение: конструкция из пучков труб, закрепленных в трубных досках (решетках) крышек, кожухов и опор.

Принцип, по которому осуществляет свою деятельность кожухотрубчатый теплообменник довольно прост. Он заключается в движении холодного и горячего теплоносителей по разным каналам. Теплообмен происходит именно между стенками этих каналов.

Рисунок 1 Принцип работы кожухотрубчатого теплообменника

Сегодня кожухотрубные теплообменники пользуются спросом у потребителей и не теряют своих позиций на рынке. Это обусловлено немалым количеством достоинств, которыми обладают эти устройства:

· Высокая стойкость к гидроударам. Это помогает им легко переносить перепады давления и выдерживать серьезные нагрузки.

· Не нуждаются в чистой среде. Это значит, что они могут работать с некачественной жидкостью, не прошедшей предварительной очистки, в отличие от множества других видов теплообменников, которые способны работать исключительно в не загрязненных средах.

· Высокая эффективность.

· Износостойкость.

· Долговечность. При должном уходе кожухотрубчатые агрегаты будут работать на протяжении многих лет.

· Безопасность использования.

· Ремонтопригодность.

· Работа в агрессивной среде.

Учитывая вышеизложенные преимущества, можно утверждать об их надежности, высокой эффективности и долговечности.

Несмотря на большое количество отмеченных преимуществ кожухотрубных теплообменников, данные устройства имеют и ряд недостатков:

· габаритность и значительный вес: для их размещения необходимо помещение значительных размеров, что не всегда является возможным;

· высокая металлоемкость: это является основной причиной их высокой цены.

1.3 Область применения аппаратов

Кожухотрубчатые аппараты применяются в качестве базисного оборудование для тепловых пунктов и инженерных сетей жилищно-коммунального хозяйства. Индивидуальные тепловые пункты (ИТП) имеют существенные преимущества перед централизованным тепловодоснабжением. Они более эффективно производят энергообеспечение объектов и обеспечение теплового режима зданий, чем теплоцентрали.

Теплообменное оборудование этого типа незаменимо в случаях, когда требуется обеспечить развязку по давлению и температуре теплоносителя во вторичном контуре ГВС от подачи сетевой воды. Это особенно актуально, если отопительная система подключается к теплоснабжающей сети по независимой схеме присоединения. Подобное случается, когда статическое давление, например, отопительных систем присоединенных зданий ввиду неровностей рельефа выше, чем в линии сети. Или наоборот, когда давление в сетевой «обратке» выше, чем в обслуживающей системе отопления.

Теплообменники этого типа применяются в нефтяной, газовой, химической промышленности. Их можно обнаружить в большой теплоэнергетике, где используются теплоносители с высокими параметрами. Разносторонняя сфера применения не ограничивается только этими отраслями. В качестве испарителей используются в ребойлерах, конденсаторах-холодильниках воздушного охлаждения, ректификационных колоннах. Могут также задействоваться для охлаждения сырьевых масс, компонентов или готовой продукции. Они широко применяются в технологических процессах молочного, пивного и других производствах пищевой промышленности.



2. Расчетная часть

2.1 Тепловой расчет теплообменного аппарата

В процессе теплообмена участвует 2 теплоносителя: горячий фенол в количестве 5 кг/с поступает в теплообменник с начальной температурой = 130 ⁰С и выходит из теплообменника с температурой = 80⁰С, и холодный, которым является вода, подаётся в теплообменник с температурой = 20⁰С и выходит с = 35⁰С. Давление в трубном пространстве = 0,5МПа. Давление в межтрубном пространстве= 0, 6 МПа. Потери тепла в окружающую среду 3%. В процессе теплообмена агрегатное состояние не изменяется.

Физические свойства теплоносителей приведены в таблице при средней температуре горячего и холодного теплоносителей.

Таблица 1

Физические свойства теплоносителей

Свойства	Обозначение	Единицы измерения	Теплоносители
			Горячий (фенол)	Холодный (вода)
Плотность	с	Кг/м2	1070	995,5
Коэффициент кинетической вязкости	м	ПаС	0,001099	0,820
Теплопроводность	c	Дж/кг·К	2350	4185
Коэффициент теплопроводности	л	Вт/м·К	0,153	0,48

2.1.1 Определение тепловой нагрузки теплообменного аппарата

Теплообмен между теплоносителями существенно изменяется в зависимости от физических свойств и параметров движущихся сред, а также от гидродинамических условий движения.

Средняя температура среды t_ср, °С, приближенно определяется как среднее арифметическое начальной t_г и конечной t_х температур:

2.1.2 Тепловой баланс теплообменных аппаратов

Тепловой расчет начинается с определения тепловой нагрузки аппарата и расхода одного из теплоносителей. Тепловая нагрузка -- количество теплоты, переданное от горячего теплоносителя к холодному.

Так как в процессе теплообмена, теплоносители не изменяют своего агрегатного состояния, то количество теплоты, переданное горячим теплоносителем холодному определяется по формулам:

где Q₁ - количество тепла горячего теплоносителя, Вт;

Q₂ - количество тепла холодного теплоносителя, Вт;

G₁ - количество горячего теплоносителя, кг/с;

G₂ - количество холодного теплоносителя, кг/с;

С₁ - теплоемкость горячего теплоносителя, Дж/кг·К;

С₂ - теплоемкость холодного теплоносителя, Дж/кг·К;

- начальная и конечная температура горячего теплоносителя;

- начальная и конечная температура холодного теплоносителя;

Определяем тепловую нагрузку аппаратов.

Количество тепла, переданное горячим теплоносителем Q определяем по формуле:



Q₁=G₁C₁ ( -

Q₁= 52350(130 - 80) = 587 500 Вт

Определяем потери тепла в окружающую среду по формуле:

Q_потери = 587 500 •3 /100 = 17 625 Вт

Определяем тепловую нагрузку с учетом потери по формуле:

Q=Q₁ - Q_пот (7)

Q = 587 500 - 17 625= 569 875 Вт

Определяем расход холодного теплоносителя по формуле:

Q₂ = Q

Рассчитаем движущую силу процесса Дt_средн

130 ⁰С >80 ⁰С

35 ⁰С < 20 ⁰С

(10)

Определим среднелогарифмическую разность по формуле:

где Дt_б, Дt_м - наибольшая и наименьшая температура холодного и горячего теплоносителя на концах холодильника.

2.2 Ориентировочный выбор теплообменного аппарата

Ориентировочное значение поверхности теплообменного аппарата определяется по формуле:

Примем ориентировочное значение Re = 15000, что соответствует развитому турбулентному режиму течения в трубах. Для расчёта F_{ориент.} задаемся приблизительным значением коэффициента теплопередачи, значение Кор= 800 Вт/м²К,

Определяем отношение

определим для труб d_н = 252мм



По ориентировочной поверхности теплообмена по ГОСТ 15 118-79, ГОСТ 15 120-79, ГОСТ 15 122-79 выбираем теплообменник с соотношением n/z, близкие к 20.

Диаметр корпуса, мм	325
Трубы диаметром, мм	252
Число ходов, шт.	1
Общие количество труб, м	62
Число труб, м	9

2.2.1 Определение коэффициентов теплоотдачи и теплопередачи

Коэффициент теплопередачи k представляет собой количественную расчетную величину, характеризующую сложный теплообмен. Он зависит от коэффициентов теплоотдачи, термического сопротивления стенки и загрязнений.

= 530 мм

= 400 мм

Для плоской стенки определим коэффициент теплопередачи по формуле:

Определяем коэффициент теплопередачи для цилиндрической системы по формуле:

где д -- толщина стенки аппарата;

R_загр -- термическое сопротивление, учитывающее загрязнение (накипь, cажа и пр.) с обеих сторон стенки, м² К/Вт;

коэффициент теплоотдачи от горячего теплоносителя;

л -- коэффициент теплопроводности материала стенки;

-- коэффициент теплоотдачи от стенки к холодному теплоносителю.

Если теплопроводность слоя загрязнения неизвестна, подсчитывают коэффициент теплопередачи k для чистой стенки и вводят поправку на ее загрязнение при помощи коэффициента ц использования поверхности теплообмена

k_расч--= k_{чист.ст.--}--------------------------------------------------------------------------------------(17)

---------- k_расч--=--_,__2----_,65--=--_,__13----------------------------------------------------------------

Для большинства аппаратов числовое значение коэффициента лежит в пределах ц = 0,65…0,85.

2.3 Уточненный расчет теплообменного аппарата

Расчёт начинаем с уточнения значения критерия Рейнольдса:

Для горячего раствора определяется по формуле:

(18)

где d - внутренний диаметр труб, м;

^- вязкость теплоносителя, Па•с;

V- массовый расход теплоносителя, кг/с;

n - число труб;

z - число ходов;

Определим критерий Прандтля по формуле:

Коэффициент теплоотдачи к жидкости горячего раствора определим по формуле:

Для холодного раствора:

Сумма термических сопротивлений стенки определим по формуле:

Определим коэффициент теплопередачи для чистой стенки по формуле:



Требуемая поверхность составит. Величина поверхности теплообмена F, м², определяется из основного уравнения теплопередачи

где Q -- тепловая нагрузка аппарата (определяется из теплового баланса)

k --коэффициент теплопередачи;

Дt_ср -- средний температурный напора.

Вывод: данный теплообменник выбран верно, так как обеспечит необходимые условия и требования.



2.4 Конструктивный расчет теплообменного аппарата

Толщина стенки обечайки, нагруженной внутренним давлением, рассчитывается по формуле:

S=S_R + с (28)

S= 0,5 + 1= 1,5 мм

где S - принятая толщина стенки, мм;

S _R _ расчетная толщина стенки, мм;

с = 1мм _ коррозионная прибавка;

где Р _ расчетное давление в аппарате, МПа;

D = 325 - внутренний диаметр аппарата, мм;

[ ] = 143,5 допускаемое напряжение материала корпуса, МПа;

=1,0 _ коэффициент прочности сварного шва.

Расчетная температура = 20 Ст3

2.4.1 Расчет толщины стенки днища

Толщина эллиптических и сферические днищ, нагруженных избыточным внутренним давлением рассчитывается по формуле:

S S _{1 R} (30)

1,5 0,7

где S - принятая толщина стенки, мм;

S _{1 R} _ расчетная толщина стенки, мм;

где R - радиус кривизны в вершине днища, мм;

R = D = 400 мм

Для днищ, изготовленных из одной заготовки, коэффициент прочности сварного шва =1.

2.4.2 Выбор трубных решеток, способ размещения и крепления в них теплообменных труб и трубных решеток к кожуху определяем по формуле:

(32)

где с - прибавка, мм; для стальных трубных решеток с = 5 мм;

d_н - наружный диаметр теплообменных трубок, мм;

2.4.3 Выбор крышек и днищ аппарата

Крышки и днища теплообменных аппаратов выбираем в зависимости от диаметра кожуха. Наиболее распространенной формой днищ и крышек является эллиптическая форма с отбортовкой на цилиндр.

По ГОСТу 6533-78 выбираем размеры днища эллиптического отбортованного стального в зависимости от диаметра.

2.4.4 Расчет диаметров штуцеров, выбор фланцев, прокладок и крепежных элементов

Присоединение трубопроводов к теплообменным аппаратам бывает разъемным и неразъемным. Разъемное присоединение труб осуществляется при помощи фланцевых резьбовых штуцеров. При диаметре трубопроводов более 10 мм применяют фланцевые штуцеры.

Диаметр штуцера зависит от расхода и скорости теплоносителя.

Определяем объемный расход теплоносителя по формуле:

(33)

где V - объемный расход теплоносителя, м³/с;

= 1,28 - скорость движения теплоносителя в штуцере, м/с;

S - площадь поперечного сечения штуцера, м²;

Диаметр штуцера определяем по формуле:

Объемный расход раствора определяем по формуле:

(36)

(37)

где V_1, V₂ -- массовый расход раствора, кг/с;

-- плотность раствора, кг/м³

2.4.5 Установка компенсатора

Определяем температурные напряжения по формуле:

где коэффициенты линейного расширения трубок и корпуса;

, - температуры трубок и корпуса, ;

, - модуль упругости материала трубок и корпуса, МПа;

, - площадь поперечного сечения трубок и корпуса, ;

Определяем площадь поперечного сечения трубок теплообменного аппарата по формуле:

где - наружный диаметр трубок, мм;

- внутренний диаметр трубок, мм;

n- число трубок;

Определяем площадь поперечного сечения корпуса по формуле:

(40)

где средний диаметр трубок, мм;

S - толщина стенки корпуса, мм;

(41)

Напряжение в корпусе определяем по формуле;

Минимальная толщина стенки компенсатора определяем по формуле:

(43)

Определяем толщину стенки компенсатора:

(44)

После установки компенсатора вновь рассчитываем осевую силу определяем по формуле:

Температурное усилие, действующие на одну трубу определяем по формуле:

Осевое усилие в трубках за счет давления определяем по формуле:

(48)

Усилие, действующие на одну трубу,:

Суммарное усилие на одну трубу определяем по формуле:

(50)

Проверяем надежность закрепления труб в трубной решётке. Удельное усилие, Н/мм:



Заключение

Кожухотрубные теплообменные аппараты относятся к поверхностным теплообменным аппаратам рекуперативного типа. Широкое распространение этих аппаратов обусловлено прежде всего надежностью конструкции и большим набором вариантов исполнения для различных условий эксплуатации

В курсовом проекте на тему « Расчет и проектирование кожухотрубчатого теплообменного аппарата для охлаждения фенола» приведены сведения о кожухотрубчатом теплообменном аппарате.

Мною были выполнены два основных расчета: тепловой и конструктивный.

В результате теплового расчета были определены: тепловая нагрузка, тепловой баланс.

Конструктивный расчет теплообменного аппарата состоит из: расчета толщины стенки днища, выбора трубных решеток, способ размещения и крепления в них теплообменных труб и трубных решеток кожуху, выбора крышек и днищ аппарата, расчета диаметров штуцеров, выбор фланцев, прокладок и крепежных элементов, установки компенсатора.



Список использованных источников

1.Боровков В.М. Теплотехническое оборудование: учебник для студ. Учреждений средн. проф. образования / В. М. Боровков, А. А. Калютик, В. Сергеев. 2-е изд., испр. М.: Издательский центр «Академия», 2013.192 с.

2.Брусенцев А.А. Технологическое оборудование отрасли: Учеб.метод.пособие. СПб.: НИУ ИТМО; ИХиБТ, 2013. 50 с.

3.Габриелян О.С. Химия: учеб. для студ. учреждений сред. Проф. образования / О.С. Габриелян, И.Г. Остроумов. 10-е изд., стер. М.: Издательский цент «Академия», 2012. 336 с

4. Косинцев В.И., А.И. Михайличенко, Н.С. Крашенинникова, В.М. Миронов, В.М. Сутягин/ Томский политехнический университет. Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2011. 397 с.

5. Леонтьев А.И. Оборудование химических производств. Часть 2. Учебное пособие, Тамбов, Изд-во ФГБОУ ВПО «ТГТ », 2012. 280 с.

6. Остриков А.Н., Логинов А.В., Попов А.С. Расчет и проектирование теплообменников: учебник/Воронеж. гос.технол.акад. Воронеж, 2011. 427 с.

7.http://www.gas-burners.ru/tploobmennoe-oborudovanie/teploobmennyeapparaty-i-oborudovanie/Теплообменные аппараты и оборудование.

8.http://www.eti.su/articles/over/over_1553.html./Теплообменныйаппарат.Виды, устройство, классификация теплообменников.

9.http://www.teploobmenka.ru/oborud/art-shelltube/Кожухотрубный теплообменник.

10.https://studwood.ru/1896229/matematika_himiya_fizika/teploobmennye_apparaty/Теплообменные аппараты - Теплообменные аппараты.

11.http://techlib.org/books/bazhan-spravochnik-po-teploobmennym-apparatam-bazhan/Бажан П. И. и др. Справочник по теплообменным аппаратам / П. И. Бажан, Г. Е. Каневец. В. М. Селиверстов. М.: Машиностроение, 1989. 200 с: ил. // Библиотека технической литературы.

Размещено на Allbest.ru

...