Двухтрубный теплообменник типа труба в трубе

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

В технологических схемах двухтрубные теплообменники используются в качестве подогревателей или охладителей в системе жидкость-жидкость и реже - в системе пар-жидкость. Перед другими видами теплообменного оборудования они имеют ряд преимуществ: высокие скорости течения теплоносителей при их малых расходах, простота изготовления, возможность работы при высоких давлениях.

В настоящих методических указаниях рассматривается проектный расчет двухтрубных теплообменников для системы жидкость-жидкость. Цель проектного расчета двухтрубного теплообменника - определение необходимой поверхности теплообмена и размеров аппарата, а также расхода одного из теплоносителей: для теплообменника-подогревателя - горячего теплоносителя, для теплообменника -охладителя - холодного теплоносителя. Расчеты основываются на использовании уравнений теплового баланса и основного уравнения теплопередачи.

Промышленность выпускает стандартное оборудование. В настоящем курсовом проекте разрабатывается нестандартное оборудование с использованием стандартных узлов и деталей: труб, фланцев, болтов, гаек и шайб.

Содержание

Введение

1. Общая часть: описание технологической схемы и устройства, принципа действия и назначения аппарата

2. Расчетная часть

3. Вопросы стандартизации

4. Вопросы охраны труда и техники безопасности

Заключение

Список использованной литературы

1. Общая часть

На рисунке 1 представлена технологическая схема двухтрубного теплообменника для системы жидкость-жидкость.

На рисунке 2 изображен двухтрубный теплообменник. Он состоит из нескольких одинаковых элементов 1, закрепленны на стойках 2 с помощью хомутов 3. Число элементов зависит от площади поверхности теплообмена аппарата. Закрепленные на стойках элементы образуют секцию. В случае, если высота секции получается большей, чем высота помещения, применяют многосекционные теплообменники. На рисунке 2 изображен односекционный двухтрубный теплообменник.

Каждый элемент состоит из наружной трубы 6, в которую помещена внутренняя труба 7 меньшего диаметра. Концы наружной трубы приварены к внутренней. По кольцевому каналу между наружной и внутренней трубами ( кольцевое пространство) течет горячий теплоноситель, по внутренней трубе течет холодный теплоноситель. Кольцевое пространство секций соединяется штуцерами 5, а трубное пространство - калачами 4. Как правило, в двухтрубных теплообменниках используется противоточная схема движения жидких теплоносителей. Каждый теплоностиель поочередно проходит через все элементы.

Горячий теплоноситель через штуцер ш1 поступает в кольцевое пространство теплообменника. Поочередно проходя через все элементы, он отдает свое тепло через стенку внутренней трубы холодному теплоносителю, который нагревается. Горячий телоноситель покидает теплообменник через штуцер ш2. Холодный теплоноситель поступает в теплообменник через штуцер ш3, проходя через все элементы нагревается, и выходят из аппарата через штуцер ш4.

2. Расчетная часть

1. Определение конечных температур теплоносителей и средней движущей силы процесса.

Принимаем противоточную схему движения теплоносителей в двухтрубном теплообменнике.

Определим конечную температуру воды:

t2к = t1н-15ч 20 oC = 90-15 = 45 oC

Рассчитаем разности температур теплоносителей на концах теплообменника:

?tср = = = 22,5 oC

2. Расчет расхода холодного теплоносителя и тепловой нагрузки теплообменника.

Для теплообменника-охладителя тепловая нагрузка рассчитывается по формуле:

Q = G1 * C1 ( t1н - t1к) = * 3686 * (90-45) = 106370 Вт

где G1 - расход горячего теплоносителя, кг/с ;

C1 - удельная теплоемкость раствора сахара 16% по его средней температуре , Дж/ (кг*К) :

t1ср = = = 67,5 oC ;

определяем по формуле [3, с.6] :

C1 = 4187 - 25b + 0,075 * t * b = 4187 - 25 * 16 + 0,075 * 67,5 * 16 = 3868 Дж / (кг*К)

где b - концентрация раствора сахара, % ;

t - температура раствора сахара , oC; t = t1ср = 67,5 oC

t1к , t1н - конечная и начальная температуры раствора сахара, oC Расход холодного теплоносителя G2 , кг/с :

G2 = = = 0,424 кг/с

где C2 - удельная теплоемкость воды, Дж/ (кг*К) ; определяется по средней температуре из [3, табл. 37]

t2ср = = = 45 оС

где t2н , t2к - начальная и конечная температуры воды, oC

3. Определение диаметра труб и гидродинамического режима течения теплоносителей.

В проектируемом двухтрубном теплообменнике холодный теплоноситель ( вода ) течет по внутренней трубе, а горячий ( раствор сахара 16% ) движется по кольцевому пространству между трубами.

По уравнению расхода рассчитаем внутренний диаметр трубы dв :

dв = = = 0,0246 м

где p2 - плотность воды, кг/м3 [ 3, табл. 37 ] по tср = 45 oC ;

w2 - скорость течения теплоносителя по внутренней трубе, м/с - принимаем по [2, c. 10]

Определим наружный диаметр внутренней трубы dн :

dн = dв + 2дст = 24,6 + 2 * 3,5 = 31,6 мм

где дст - толщина стенки трубы, мм [2, c.10]

Выбираем по ГОСТ 12815 ( приложение А, табл. 1) dн = 32мм, тогда dв = 25мм.

Пересчитываем скорость течения холодного теплоносителя в трубе:

w2 = = = 0,873 м/с

По уравнению расхода рассчитаем внутренний диаметр наружной трубы:

Dв = = = 0,0398 м

где p1 - плотность раствора сахара 16%, кг/м3 [3, c.6] по t1ср = 67,5 oC:

p1 = 1193 - 0,563 * t = 1193 - 0,563 * 67,5 = 1155 кг/м3

w1 - скорость течения теплоносителя по кольцевому пространству, м/с - принимаем по [2, c. 11]

Рассчитаем наружный диаметр турбы :

Dн = Dв + 2дст = 38,8 + 2* 2,5 = 44,8 мм

где дст - толщина стенки трубы, мм [2, c.10]

Выбираем по ГОСТ 12815 ( приложение А, табл. 1) Dн = 45мм, тогда Dв = 40мм.

Пересчитывем скорость течения горячего теплоносителя :

w2 = = = 1,17 м/с

4. Расчет коэффициентов теплоотдачи.

Коэффициент теплоотдачи от горячего теплоносителя к стенке трубы б1 определяется по критерию Нуссельта :

б1 = = = 8065,73 Вт/(м2*К)

где 1 - коэффицииент теплопроводности раствора сахара 16%, Вт/(м*К) ; находим по t1ср = 67,5 oC [3, табл.9]

d1- определяющий линейный размер,

м : d1 = Dв - dн = 0,04 - 0,032 = 0,008 м ;

Nп1 - критерий Нуссельта.

Для определения режима движения горячего теплоносителя в межтрубном пространстве рассчитаем критерий Рейнольдса :

Re1 = = = 16895,31

где н1 - коэффициент кинематической вязкости раствора сахара 16% при t1ср = 67,5 oC

н1 = = = 5,54 * 10-7 м2/с

где М1 - коэффициент динамическиой вязкости раствора сахара 16% при t1ср = 67,5 oC, мПа * из [3, табл.10]

Re1 > 2300, течение теплоносиителя турбулентное, критерий Нуссельта равен :

Nп1 = = = 100,32

где f1 - коэффициент сопротивления трения:

f1 = ( 1,82 lg Re1 - 1,64)-2 = ( 1,82 lg 16895,31 - 1,64)-2 = 0,0273

где Pz1 - критерий Прандтля :

Pz1 = = = 3,847

где a1 - коэффициент температуропроводности, м2/с :

a1 = = = 1,44 * 10-7 м2/с

Коэффициент теплоотдачи от стенки внутренней трубы к холодному теплоносителя (воде) б2 определяется по критерию Нуссельта :

б2 = = = 4934,16 Вт/(м2*К)

где л2 - коэффициент теплопроводности воды, Вт/(м*К) ; определяем по t2ср = 45 oC из [3, табл.37]

Рассчитаем критерий Рейнольдса :

Re2 = = = 35778,69

где d2 - определяющий линейный размер, м: d2 = dв = 0,025 м,

где где н2 - коэффициент кинематической вязкости раствора сахара 16% при t2ср = 45 oC

Re2 > 2300, течение теплоносиителя турбулентное, критерий Нуссельта равен :

Nп1 = = = 100,32

где f2 - коэффициент сопротивления трения:

f2 = ( 1,82 lg Re2 - 1,64)-2 = ( 1,82 lg 35778,69 - 1,64)-2 = 0,0226

где Pz2 - критерий Прандтля :

Pz2 = = = 3,935

где a2 - коэффициент температуропроводности воды, м2/с определяем по t2ср = 45 oC из [3, табл.37]

5. Расчет коэффициента теплопередачи.

K = = = 1480,465 Вт/(м2*К)

где дст - толщина стенки трубы и д3 - толщина слоя загрязнения.

ст, л3 - коэффицииент теплопроводности нержавеющей стали и котельной накипи, Вт/(м*К)

6. Определение основных размеров теплообменника.

Площадь поверхности теплообменника определяется из основного уравнения теплопередачи :

F = = = 3,193 м2

где Q - тепловая нагрузка теплообменника, Вт.

Общая длина труб, принимая F= 3,5 м:

б = = = 39,11 м

где dср - средний диаметр развертки трубы, м ; так как б1 ? б2, то

dср = 0,5( dв + dн ) = 0,5( 0,025+ 0,0332 ) = 0,0285м

Число секций в теплообменнике :

n = = = 6,41 = 6

где l - длина секции теплообменника, м ; принимаем по [2, c.13]

Принимаем 1 секцию на 6 элементов.

Внутренний диаметр цтуцеров для ввода-вывода горячего теплоносителя рассчитывается из уравнения расхода :

dш = = = 0,0212 м

где p1 - плотность горячего теплоносителя, кг/м3;

wш - скорость горячего теплоносителя в штуцере, м/с [2,c.14]

По ГОСТ 12815 (приложение А, таблица 1) выбираем трубу 32x3,5 мм

7. Расчет тепловой изоляции теплообменника.

Коэффициент теплоотдачи от наружной стенки изоляции в окружающую среду :

бп = 9,3 + 0,058 tсм2 = 9,3 + 0,058 * 50 = 12,2 Вт/(м2*К)

двухтрубный теплообменник нагрузка жидкость

где tсм2 - температура наружной стенки изоляции, оС

Коэффициент теплопередачи от горячей среды в воздух Кп :

Кп = бп = 12,2 = 5,23 Вт/(м2*К)

где tс - наибольшая температура среды в аппарате, оС ;

где tв - температура окружающей среды (воздуха) , tв=20оС

диз = лиз ( - ) = 0,1 ( - ) = 0,011 м2

где лиз - коэффициент теплопроводности совелита, Вт/(м*К)

Площадь наружной поверхности теплообменнка

Fп = р * l *n * Dн = 3,14 * 6 * 6 * 0,045 = 5,087 м2

Потери теплоты в окружающую среду:

Qп = Kп * Fп * ?tп = 5,23 * 6,78 * 70 = 2482,16 Вт

3. Вопросы стандартизации

В настоящем курсовом проекте используются следуюшие ГОСТы отраслевых нормалей и отраслевых руководящих технических материалов для курсового проектирования по процессам и аппаратам пищевых производств :

1. ОН 12-45-82 Трубы из углеродистой и высоколегированной стали для химического и компрессорного машиностроения. Сортамент. Отраслевая нормаль. М., НИИхиммаш. 1982.

2. ОН 26-01-17-86, ОН 26-02-14-86 Сосуды и аппараты. Нормы расчета и конструирования фланцевых соединений. Отраслевая нормаль. М., Минхимнефтмах, 1986.

3. РТМ 54-80 Справочник по свойствам черных металлов, применяемых в оборудовании нефтеперерабатывающих заводов. Руководящий технический материал. М., ГИПРОнефтемш, 1980.

4. ОН 26-01-71-88 Сварка в химическом машиностроении. Отраслевая нормаль. М., НИИхиммаш, 1988.

5. ГОСТ 12.2.003-91 Оборудование произвоственное. Общие требования безопасности.

6. ОН 26-02-118-89, ОН 26-02-119-89 Теплообменники типа «труба в трубе» однопоточные разборные. Конструкция и основные размеры.

7. ОСТ 26-829-73 - ОСТ 26-843-73 Фланцевые соединения арматуры трубопроводов. Минхимнефтемаш. М., 1973.

8. ОСТ 26-426-79 Фланцы для аппаратов стальные плоские приварные. Основные размеры.

9. ГОСТ 9941-81 Трубы из нержавеющей стали, условные обозначения. Труба 50*2-12Х18Н10Т ГОСТ 8041-81

10. ГОСТ 12.2.003-91 Оборудование производстенное. Общие требования.

4. Вопросы охраны труда и техники безопасности

Общие требования безопасности производственного оборудования отвечают ГОСТу 12,2.003-91 «Оборудование производственное», который является основой для установления требований безопасности в технических условиях, эксплуатационных и других конструкторских документах на производственное оборудование, конкретных групп, видов, моделей.

Основные положения :

1. Производстевнное оборудование должно быть безопасно при монтаже, эксплуатации и ремонте как отдельно, так и в составе комплексов и технологических схем, а так же при транспортировки и хранении. Оно должно быть пожаровзрывобезопасным.

2. Все виды производственного оборудования должны охранять окружающую среду от загрязнения выбросами вредных веществ выше установленных норм.

3. Непременным условием является обеспечение надежности, а так же исключение опасности при эксплуатации в пределах, установленных технической документацией. Нарушение надежности может возникнуть в результате воздействия влажности, солнечной радиации, механических колебаний, перепадов давлений и температур, агрессивных веществ, ветровых нагрузок, обледенения.

4. Материалы принимаемые в конструкции производственного оборудования, не должны быть опасными и вредными. Не допускается использование веществ и материало, не прошедших проверки на пожаробезопасность.

5. Конструкции технологического оборудования, имеющие газо-, паро-, пневмо-, гидро-, и другие системы, выполняются в соответствии с требованиями безопасности для этих систем.

6. Конструкции оборудования должны исключать возможность случайного соприкосновения с работающими и горячими частями.

7. Выделение оборудованием тепла в производственных помещениях не должно превышать предельно допустимых концентраций в рабочей зоне.

8. Конструкция оборудования должна предусматривать защиту поражения электрическим током, включая случаи ошибочных действий обслуживающего персонала.

9. Конструкция оборудования должна обеспечивать снижение до регламентированных уровней шума вибраций.

10. Для обеспечения безопасности основного оборудования при его эксплуатации дополнительно предусматривают защитные устройтсва.

Для защиты от действий опасных факторов принимаются коолективные и индивидуальные средства защиты, которые можно разделить на четыре группы :

1) оградительные

2) предохранительные

3) сигнализационные устройства

4) дистанционное управление

Список литературы

1. Рябченко Н.П., Лобанов А.А., Константинов Е.Н. Расчет двухтрубного теплообменника, КубГТУ, 2004 - 18с.

2. Вальдман В.А. Теплофизические характеристики пищевых продуктов, материалов и теплоносителей в пищевых производствах, КубГТУ, 2000, - 27с.

Размещено на Allbest.ru

...