Расчет теплообменного аппарата
Подбор кожухотрубчатого и пластинчатого теплообменного аппарата. Ориентировочный выбор теплообменника. Среднелогарифмическая разность температур в теплообменнике. Определение расхода холодного раствора и гидравлического сопротивления. Потери давления.
Рубрика | Производство и технологии |
Вид | курсовая работа |
Язык | русский |
Дата добавления | 14.12.2013 |
Размер файла | 638,1 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра промышленной теплоэнергетики
Курсовая работа
Тепломассобменное оборудование промышленных предприятий
«Расчет теплообменного аппарата»
Выполнил: Канюгин А.А.
группа ТЭ-09-2
Проверил: Крамченков Е.М.
Липецк 2013
Содержание
Введение
Исходные данные
Расчет кожухотрубчатого теплообменника
Расчет пластинчатого теплообменника
Выводы
Список литературы
Введение
Кожухотрубчатый теплообменник является наиболее распространенным аппаратом вследствие 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 решетках 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 кожухотрубчатых 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 кожухотрубчатых 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 кожухотрубчатых 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:
Установка в корпусе аппарата линзового компрессора.
Установка в теплообменнике только одной трубной решетки, в которой закреплены трубки U - образной формы.
Устройство теплообменников с «плавающей головкой».
Закрепление трубок в одной из трубных решеток с помощью сальников.
Сальниковое соединение трубной решетки с кожухом.
1. Расчет кожухотрубчатого теплообменника
кожухотрубчатый пластинчатый теплообменник гидравлический
1) Физико-химические характеристики греющего раствора при
[1]
с1=958,4кг/м3; л=0,677Вт/(м•К); м=281,8•10-6Па•с;
Определение тепловой нагрузки:
[1]
2) Определим расход холодного раствора:
Где - конечная температура холодного раствора
Из условия задания:
Расход холодного раствора:
Физико-химические характеристики холодного раствора при
с2=979,8м3; л2=0,656Вт/(м•К); м2=424,1•10-6Па•с;
3) Среднелогарифмическая разность температур в теплообменнике:
4) Ориентировочный выбор теплообменника.
Горячий теплоноситель целесообразно направить в трубное пространство, а холодный - в межтрубное.
Примем ориентировочное значение Re1ор=15000, соответствующее развитому турбулентному режиму течения в трубах. Очевидно, такой режим возможен в теплообменниках, у которых число труб n, приходящееся на один ход по трубам диаметром dн=20х2 мм, равно:
[1]
Для труб диаметром dн=25х2 мм:
Ориентировочное значение коэффициента теплопередачи, соответствующее турбулентному течению теплоносителей, равно Кор=800-1700 Вт/(м2•К). При этом ориентировочное значение поверхности теплообмена составит:
Подходящий вариант теплообменного аппарата:
1. D кожуха=800 мм, d труб =20х2, поверхность теплообмена = 130м2, длина труб = 3,0м, число ходов z = 2, общее число труб n = 690.
В многоходовых теплообменниках средняя движущая сила несколько меньше, чем в одноходовых, вследствие возникновения смешанного взаимного направления движения теплоносителей.
Поправка для средней разницы температур:
По диаграмме из [1]:
С учетом этих оценок ориентировочная поверхность составит
Вариант 1
Коэффициент теплоотдачи к жидкости, движущейся по трубам турбулентно, равен:
Поправкой здесь можно пренебречь, так как разность температур t1 и tст1 невелика.
Минимальное сечение потока в межтрубном пространстве Sмтр=0,069м2, и
Число Рейнольдса оказалось в пределах 2300>Re>104, что характерно для переходного режима течения жидкости. Коэффициент теплоотдачи к холодному раствору б считается по формуле:
Примем термические сопротивления загрязнений равными rз1= rз2=1/5800 м2К/Вт. Повышенная коррозионная активность жидкости диктует выбор в качестве материала труб нержавеющей стали. Теплопроводность нержавеющей стали бст=17,5 Вт/(м·К). Сумма термических сопротивлений стенки и загрязнений равна:
Коэффициент теплопередачи равен:
Требуемая поверхность составляет:
Из-за переходного режима течения холодного теплоносителя, требуется большая поверхность теплообмена. Поэтому необходимо создать условия для того, чтобы холодный теплоноситель имел турбулентный характер движения, для более интенсивного теплообмена и снижения требуемой площади теплообмена. Для этого необходимо определить новое значение расхода и значения температур холодного Rе2= Rеор=15000.
Где м2= - максимальная динамическая вязкость холодной среды, для удовлетвория условий принятого режима теченя в данном случае.
Данная динамическая вязкость характерна для
Найдем :
Найдем :
и .
Физико-химические характеристики холодного раствора при
с2=988 м3; л2=0,643Вт/(м•К); м2=547,6•10-6Па•с;
Среднелогарифмическая разность температур в теплообменнике:
Поправка для средней разницы температур:
По диаграмме из [2]:
С учетом этих оценок ориентировочная поверхность составит
Пересчитаем Вариант 1:
D кожуха=800 мм, d труб =20х2, поверхность теплообмена = 130м2, длина труб = 3,0м, число ходов z = 2, общее число труб n = 690.
Коэффициент теплоотдачи к жидкости, движущейся по трубам турбулентно, равен:
Поправкой здесь можно пренебречь, так как разность температур t1 и tст1 невелика.
Минимальное сечение потока в межтрубном пространстве Sмтр=0,069м2, и
Примем термические сопротивления загрязнений равными rз1= rз2=1/5800 м2К/Вт. Повышенная коррозионная активность жидкости диктует выбор в качестве материала труб нержавеющей стали. Теплопроводность нержавеющей стали бст=17,5 Вт/(м·К). Сумма термических сопротивлений стенки и загрязнений равна:
Коэффициент теплопередачи равен:
Требуемая поверхность составляет:
Из выбранного ряда подходит теплообменник с длиной труб L=3,0м и номинальной площадью поверхности Fн=130м2
Определим запас площади поверхности:
Масса теплообменника М=3550кг.
D кожуха=800 мм, d труб =25х2, число ходов z = 2, общее число труб n = 442.
Аналогично рассчитывается вариант теплообменника №2
Получаем:
Re1=17532, б1=2336 Re2=16304, б2=, K=808, F=117,2м2.
Из ряда теплообменников подходит с длиной труб L=4,0м и номинальной площадью поверхности Fн=130м2.
Запас площади поверхности:
Масса теплообменника М=4350кг.
Вариант 3
D кожуха=600 мм, d труб =20х2, число ходов z = 1, общее число труб n = 389.
Аналогично рассчитывается вариант теплообменника №3
Получаем:
Re1=13073, б1=2425 Re2=22270, б2=, K=926, F=91м2.
Из ряда теплообменников подходит с длиной труб L=4,0м и номинальной площадью поверхности Fн=98м2.
Запас площади поверхности:
Масса теплообменника М=2480кг.
Вариант 4
D кожуха=600 мм, d труб =25х2, число ходов z = 1, общее число труб n = 257.
Аналогично рассчитывается вариант теплообменника №4
Получаем:
Re1=15076, б1=2071 Re2=28533, б2=, K=857, F=99м2.
Из ряда теплообменников подходит с длиной труб L=6,0м и номинальной площадью поверхности Fн=121м2.
Запас площади поверхности:
Масса теплообменника М=3450кг.
Сведем основные данные в таблицу 1
Таблица 1. Параметры расчета теплообменников.
Вариант |
D, диаметр кожуха, мм |
d, диаметр труб, мм |
n, число труб |
z, число ходов |
L, длина труб, м |
K, коэффициент теплпередачи, Вт/м2·К |
F, площадь поверхности теплообмена, м2 |
Fном, номинальная площадь поверхности теплообмена, м2 |
Запас по поверхности в % |
Масса,кг |
|
1 |
800 |
20х2 |
690 |
2 |
3,0 |
870 |
109 |
130 |
19 |
3550 |
|
2 |
800 |
25х2 |
442 |
2 |
4,0 |
808 |
117 |
130 |
10,9 |
4350 |
|
3 |
600 |
20х2 |
370 |
1 |
4,0 |
926 |
91 |
98 |
7,7 |
2480 |
|
4 |
600 |
25х2 |
257 |
1 |
6,0 |
857 |
99 |
121 |
21 |
3450 |
5) Гидравлический расчет
Вариант 1
Скорость жидкости в трубах:
Коэффициент трения рассчитывается по формуле:
Диаметр штуцеров к распределительной камере d=200мм - трубного пространства, d=250мм - межтрубного пространства [3].
Рассчитаем скорость в штуцерах по формуле:
В трубном пространстве следующие местные сопротивления: вход в камеру и выход из нее, 1 поворот на 180 градусов, 2 входа в трубы и 2 выхода из них.
Рассчитаем гидравлическое сопротивление по формуле:
Число рядов труб, омываемых водой в межтрубном пространстве, m?15 округлим в меньшую сторону: Число сегментных перегородок х=8, скорость раствора в штуцерах:
Скорость воды в наиболее узком сечении межтрубного пространства площадью Sмтр=0,069м2, равна:
В межтрубном пространстве следующие местные сопротивления: вход в камеру и выход жидкости через штуцера, 8 поворотов через сегментные перегородки и 9 сопротивлений трубного пучка при его поперечном обтекании (х+1).
Сопротивление межтрубного пространства равно:
Аналогично делаем гидравлический расчет для остальных вариантов, результаты расчета представлены в таблице 2.
Таблица 2. Данные гидравлического расчета теплообменников.
Параметр |
Вариант |
||||
1 |
2 |
3 |
4 |
||
G1, кг/с |
18 |
18 |
18 |
18 |
|
G2, кг/с |
25,2 |
25,2 |
25,2 |
25,2 |
|
Sтр,м2 |
0,069 |
0,07 |
0,041 |
0,04 |
|
Sмтр, м2 |
0,069 |
0,07 |
0,041 |
0,04 |
|
Re1 |
14740 |
17532 |
13073 |
15076 |
|
Re2 |
13232 |
16304 |
22270 |
28533 |
|
z |
2 |
2 |
1 |
1 |
|
n |
690 |
442 |
389 |
257 |
|
L |
3 |
4 |
4 |
6 |
|
dшт тр, м |
0,25 |
0,25 |
0,15 |
0,1 |
|
dшт мтр, м |
0,25 |
0,25 |
0,2 |
0,2 |
|
m |
15 |
12 |
11 |
9 |
|
x |
6 |
8 |
10 |
18 |
|
wтр, м/с |
0,27 |
0,24 |
0,24 |
0,21 |
|
wшт тр, м/с |
0,38 |
0,38 |
1,06 |
2,39 |
|
л |
0,02 |
0,02 |
0,019 |
0,02 |
|
wмтр, м/с |
0,37 |
0,33 |
0,32 |
0,28 |
|
wшт мтр, м/с |
0,13 |
0,13 |
0,16 |
0,16 |
|
Ртр, Па |
708 |
616 |
1813 |
8395 |
|
Рмтр, Па |
671 |
651 |
993 |
1333 |
Из расчетов можно сделать вывод, что вариант теплообменника D кожуха=800 мм, d труб =20х2, поверхность теплообмена = 130м2, длина труб = 3,0м, число ходов z = 2, общее число труб n = 690 больше всего подходит, так как он имеет оптимальный запас площади поверхности теплообмена, меньшую массу и потери давления в нем незначительно превышают по сравнению с вариантом, который имеет минимальные потери, но значительно большую массу.
2. Расчет пластинчатого теплообменника
Эффективность пластинчатых и кожухотрубчатых теплообменников близка. Поэтому ориентировочный выбор пластинчатого теплообменника целесообразно сделать, сравнив его с лучшим вариантом кожухотрубчатого.
Из [1] следует, что поверхности, близкие в 63м2, имеют теплообменники с пластинами площадью 0,5м2 Выберем для поверочного расчета 2 варианта:
1. F=140.0 м2, число пластин N=280, тип пластин 0,5;
2. F=140.0 м2, число пластин N=236, тип пластин 0,6;
Уточненный расчет требуемой поверхности.
Вариант 1.
Пусть компоновка пластин самая простая Сх:140/140, т.е. по одному пакету (ходу) для обоих потоков. Скорость раствора в 140 канале с проходным сечением 0,0018м2 равна:
Эквивалентный диаметр каналов dЭ=0,008м,
т.е. режим турбулентный, поэтому по формуле находим:
Скорость воды в 140 канале:
Сумма термических сопротивлений гофрированной стенки из нержавеющей стали толщиной 1,0мм и загрязнений составляет
Коэффициент теплопередачи равен
Требуемая поверхность составляет
Теплообменник номинальной поверхностью FIп=140м2 подходит с запасом
Его масса М1=3345кг.
Вариант 2
Компоновка пластин Сх:140/140, Скорость раствора в 140 канале с проходным сечением 0,00245м2 равна:
Эквивалентный диаметр каналов dЭ=0,0083м,
т.е. режим турбулентный, поэтому по формуле находим:
Скорость воды в 140 канале:
Сумма термических сопротивлений гофрированной стенки из нержавеющей стали толщиной 1,0мм и загрязнений составляет
Коэффициент теплопередачи равен
Требуемая поверхность составляет
Теплообменник номинальной поверхностью FIп=140м2 подходит с запасом
Его масса МIп=2290кг.
Расчет гидравлического сопротивления.
Для каждого теплоносителя гидравлическое сопротивление в пластинчатых теплообменниках определяют по формуле:
где L - приведенная длина каналов, м; х - число пакетов для данного теплоносителя; wшт - скорость в штуцерах на входе и на выходе, м/с; - для турбулентного движения; a2=22,4 для выбранного типа пластин.
Вариант 1.
Результаты расчета гидравлических сопротивлений:
; x1=1; L=1.15м; dш=0,15м;
; x2=1; L=1.15м; dш=0,15м;
Вариант 2.
Результаты расчета гидравлических сопротивлений:
; x1=1; L=1.15м; dш=0,15м;
; x2=1; L=1.15м; dш=0,15м;
Вариант 2 является наиболее подходящим, так как имеет меньшую массу и гидравлические потери
Выводы
В данной курсовой работе были подобраны кожухотрубчатый и пластинчатый теплообменные аппараты, произведены тепловые и гидравлические расчеты.
Кожухотрубчатый теплообменный аппарат имеет диаметр кожуха D кожуха=800 мм, d труб =20х2, поверхность теплообмена = 130м2, длина труб = 3,0м, число ходов z = 2, общее число труб n = 690 М=3550 кг. В результате гидравлического расчета кожухотрубчатого теплообменника было определено:
1) потери давления Ртр=708 Па в трубном пространстве;
2) потери давления Рмтр=671 Па в межтрубном пространстве.
Пластинчатый теплообменный аппарат F=140.0 м2, число пластин N=236, тип пластин 0,6 М=2290кг.
В результате гидравлического расчета пластинчатого теплообменника было определено:
1) потери давления Р1= Па;
2) потери давления Р2= Па в межтрубном пространстве.
Пластинчатый теплообменник имеет меньшую массу, но в кожухотрубчатом теплообменнике гидравлическое сопротивление меньше, следовательно, он предпочтительнее.
Список литературы
1. Основные процессы и аппараты химической технологии. Пособие по курсовому проектированию под ред. Дытнерского - М: Химик,
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Технологический расчет кожухотрубчатого теплообменного аппарата для установки АВТ. Определение начальной температуры нефти и выбор теплообменника. Расчет гидравлического сопротивления. Описание схемы работы аппарата. Схема контроля и регулирования.
курсовая работа [624,1 K], добавлен 11.03.2011Определение тепловой нагрузки аппарата, расхода пара и температуры его насыщения, режима теплообменника. Выбор конструкции аппарата и материалов для его изготовления. Подсчет расходов на приобретение, монтаж и эксплуатацию теплообменного аппарата.
курсовая работа [544,4 K], добавлен 28.04.2015Расчет кожухотрубчатого теплообменника, средней разницы температур между теплоносителями, объемного и массового расхода теплоносителя, тепловой нагрузки на аппарат, массового и объемного расхода хладагента. Теплофизические свойства теплоносителей.
контрольная работа [342,0 K], добавлен 08.10.2008Тепловой конструктивный, компоновочный, гидравлический и прочностной расчёты горизонтального кожухотрубного теплообменного аппарата. Тепловые и основные конструктивные характеристики теплообменного аппарата, гидравлические потери по ходу водяного тракта.
курсовая работа [120,4 K], добавлен 16.02.2011Математическая модель рекуперативного теплообменного аппарата. Теплофизические свойства и расчёт параметров горячего и холодного теплоносителей, гидравлический и аэродинамический, тепловой расчёты. Эскизная компоновка, интенсификация теплообменника.
курсовая работа [251,7 K], добавлен 20.04.2011Проектирование теплообменного аппарата: расчет диаметров штуцеров, выбор конструктивных материалов для изготовления устройства и крепежных элементов, определение величины различных участков трубопроводов, подбор насоса, оценка напора при перекачке молока.
курсовая работа [471,5 K], добавлен 16.07.2011Механический расчет элементов конструкции теплообменного аппарата. Определение коэффициента теплопередачи бойлера-аккумулятора. Расчет патрубков, толщины стенки аппарата, днищ и крышек, изоляции аппарата. Контрольно-измерительные и регулирующие приборы.
курсовая работа [218,3 K], добавлен 28.04.2016Механический и гидравлический расчет элементов конструкции теплообменного аппарата. Определение внутреннего диаметра корпуса, коэффициента теплопередачи и диаметров патрубков. Расчет линейного сопротивления трения и местных сопротивлений для воды.
курсовая работа [183,2 K], добавлен 15.12.2015Классификация теплообменных аппаратов. Проведение поверочного теплового и гидравлического расчётов нормализованного кожухотрубного теплообменного аппарата, предназначенного для охлаждения масла водой с заданной начальной и конечной температурой.
контрольная работа [64,1 K], добавлен 16.03.2012Тепловой, механический, конструктивный и гидравлический расчет теплообменника, который предназначен для проведения теплообменных процессов: нагревания, охлаждения, конденсации испарения. Определение гидравлического сопротивления трубного пространства.
курсовая работа [393,7 K], добавлен 17.05.2011Конструкторский расчет рекуперативного кожухотрубного вертикального теплообменника, определение эскизной площади поверхности теплообмена. Компоновка трубного пучка и межтрубного пространства. Гидравлический и прочностной расчет теплообменного аппарата.
курсовая работа [1,8 M], добавлен 27.12.2013Методика и критерии подбора спирального теплообменника, который необходим при производстве виноградного сока. Расчет теплообменного аппарата: определение необходимой поверхности теплопередачи, выбор типа аппарата и нормализованного варианта конструкции.
курсовая работа [25,7 K], добавлен 21.03.2011Преимущества и недостатки спиральных теплообменников. Температурный режим аппарата. Средняя разность температур теплоносителей. Тепловая нагрузка аппарата. Массовый расход воды. Уточнённый расчёт теплообменного аппарата. Тепловое сопротивление стенки.
курсовая работа [43,8 K], добавлен 14.06.2012Сущность процесса передачи энергии в форме тепла, виды теплообменных аппаратов. Подбор теплообменного аппарата на базе расчетных данных. Ход процесса охлаждения жидкости с заданным расходом, если исходными материалами являются ацетон и скважинная вода.
курсовая работа [202,5 K], добавлен 20.03.2011Предварительный расчет теплообменного аппарата и определение площадей теплообмена. Выбор геометрии трубы и определение конструктивных параметров АВОМ. Поверочный тепловой и гидравлический расчет аппарата. Расчет конструктивных элементов теплообменника.
курсовая работа [578,0 K], добавлен 15.02.2012Проектирование теплообменного аппарата. Термодинамический и гидродинамический расчет. Теплофизические свойства теплоносителей, компоновка теплообменной системы. Определение потери давления горячего и холодного теплоносителя при прохождении через аппарат.
курсовая работа [290,0 K], добавлен 19.01.2010Расчет вертикального теплообменного аппарата с жесткой трубной решеткой, который применяют для нагрева и охлаждения жидкостей и газов, а также для испарения и конденсации теплоносителей в различных технологических процессах. Расчет местных сопротивлений.
курсовая работа [212,3 K], добавлен 17.06.2011Методика теплового расчета подогревателя. Определение температурного напора и тепловой нагрузки. Расчет греющего пара, коэффициента наполнения трубного пучка, скоростных и тепловых показателей, гидравлического сопротивления. Прочностной расчет деталей.
курсовая работа [64,6 K], добавлен 05.04.2010Процессы получения жидкого хлора. Конструкторская разработка кожухотрубчатого теплообменного аппарата взамен существующего в настоящее время конденсатора хлора. Патентные проработки конструкций змеевиковых испарителей и реконструкция теплообменника.
дипломная работа [351,5 K], добавлен 23.05.2009Материальные и тепловые расчеты. Расчет изоляции и обечайки аппарата. Расчет теплообменника на прочность. Проверка прочности, устойчивости и крепления труб. Расчет фланцевых соединений. Строповые устройства и опоры. Расчет теплообменного аппарата.
курсовая работа [256,3 K], добавлен 12.10.2012