Расчет кожухотрубного теплообменного аппарата

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

Санкт-Петербургский Горный университет

Кафедра автоматизации технологических процессов и производств

КУРСОВАЯ РАБОТА

По дисциплине

Гидроаэромеханика и тепломассообмен

Тема работы

Расчет кожухотрубного теплообменного аппарата

Выполнил

Герасимова Д.В.

Санкт-Петербург 2017



Аннотация

Пояснительная записка представляет собой отчет о выполнении курсовой работы на тему: «Расчет кожухотрубного теплообменного аппарата».

Описанная в работе методика и формулы дают возможность рассчитать скорость теплоносителей в трубах теплообменника, критерий Рейнольдса (Re), средние температуры в трубах теплообменного аппарата, критерий Нуссельта (Nu), коэффициенты теплоотдачи обоих теплоносителей. Далее при помощи полученных числовых данных производится расчет геометрических параметров кожухотрубного теплообменного аппарата.

Abstract

The explanatory note is a report on the course work on the topic: "Calculation of shell and tube heat exchanger".

Described in methods and formulas enable to calculate the rate of heat transfer in the pipes of the heat exchanger, the Reynolds criterion (Re), average temperatures in the pipes of the heat exchanger, the Nusselt criteria (Nu) the heat transfer coefficients of both fluids. Next, using obtained numerical data, the calculation of the geometric parameters of shell and tube heat exchanger.



Введение

Теплообменный аппарат - устройство, в котором осуществляется теплообмен между двумя теплоносителями, имеющими различные температуры. Теплообменные аппараты предназначены для проведения процессов теплообмена при необходимости нагревания или охлаждения технологической среды с целью ее обработки или утилизации.

В общем выпуске теплообменных аппаратов для химической и смежных отраслей промышленности в РФ около 80% занимают кожухотрубчатые теплообменники. Эти теплообменники достаточно просты в изготовлении и надежны в эксплуатации и в то же время достаточно универсальны.

Теплообменники типа «труба в трубе» и змеевиковые стальные в общем объеме теплообменной аппаратуры составляют около 8%, а оросительные из чугуна - около 2%.

Рассмотрим один из теплообменных аппаратов - испаритель.

Испаритель - это теплообменный аппарат, в котором хладагент кипит за счет теплоты, отнимаемой от хладогеносягеля.

Кожухотрубные испарители используются в торговых и промышленных установках. Они состоят из цилиндрического стального кожуха, в котором установлены трубы. Трубы удерживаются в кожухе перегородками, расположенными по всей длине. Концы труб смонтированы на толстых стальных дисках, которые называются трубными решетками, приваренных к кожуху, и вставлены в саму трубу. У таких испарителей относительно высокая производительность, они требуют минимальной площади и высоты, легко обслуживаются и приспосабливаются почти для любого охлаждения жидкости. Благодаря этому кожухотрубные испарители применяют наиболее широко.

1. Существует несколько типов таких испарителей. Устройство трубы зависит от подачи хладагента и его типа. Если испаритель затопленный, охлаждаемая жидкость проходит по трубе, а хладагент содержится в кожухе. Уровень жидкого хладагента в кожухе поддерживает поплавковый регулятор. Если испаритель змеевиковый, хладагент подается в трубы распределителем, а охлаждаемая жидкость проходит через кожух. В большинстве случаем охлаждаемая жидкость проходит через испаритель и соединительный трубопровод при помощи одного или более насоса центробежного типа. Общие сведения о теплообменных аппаратах

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.

теплоноситель кожухотрубный анилин аппарат

1.1 Поверхностные теплообменные аппараты

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 и независимыми от времени, то есть процесс теплопередачи имеет стационарный характер. Поэтому рекуперативные теплообменники называют также стационарными. Рекуператоры могут работать как в периодическом, так и в непрерывных режимах.

В зависимости от направления движения теплоносителей рекуперативные теплообменники могут быть прямоточными при параллельном движении в одном направлении, противоточными при параллельном встречном движении, а также перекресточными при взаимно перпендикулярном движении двух взаимодействующих сред.

Наиболее распространенные в промышленности рекуперативные теплообменники:

- кожухотрубный теплообменный аппарат;

- элементный (секционный) теплообменный аппарат;

- двухтрубный теплообменник типа «труба в трубе»;

- витой теплообменный аппарат;

- погруженный теплообменный аппарат;

- оросительный теплообменный аппарат;

- ребристый теплообменный аппарат;

- спиральный теплообменный аппарат;

- пластинчатый и пластинчато-ребристый теплообменные аппараты;

- графитовый теплообменный аппарат.

2) Регенеративные теплообменные аппараты

В регенеративных поверхностных теплообменниках теплоносители (горячий и холодный) контактируют с твердой стенкой поочередно. Теплота накапливается в стенке при контакте с горячим теплоносителем и отдается при контакте с холодным. Регенераторы являются аппаратами периодического действия.

1.2 Смесительные теплообменные аппараты

Смесительный теплообменный аппарат (контактный) - теплообменник, предназначенный для осуществления тепло и массообменных процессов путем прямого смешивания сред. Наиболее распространенные 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.

1.3 Кожухотрубные теплообменные аппараты

Кожухотрубчатые теплообменники относятся к наиболее распространенным. Их применяют в промышленности и на транспорте в качестве нагревателей, конденсаторов, охладителей, для различных жидких и газообразных сред. Основными элементами кожухотрубчатого теплообменника являются: кожух (корпус), трубный пучок, камеры-крышки, патрубки, запорная и регулирующая арматура, контрольная аппаратура, опоры, каркас. Кожух аппарата сваривают в виде цилиндра из одного или нескольких, обычно стальных листов. Толщина стенки кожуха определяется максимальным давлением рабочей среды в межтрубном пространстве и диаметром аппарата. Днища камер могут быть сферическими сварными, эллиптическими штампованными и реже - плоскими. Толщина днищ не должна быть меньше толщины корпуса.

Предпочтительнее вертикальное расположение корпуса и всего теплообменника, так как в этом случае уменьшается площадь, занимаемая аппаратом, и более удобно расположение его в рабочем помещении.

Трубный пучок теплообменника может быть собран из гладких стальных бесшовных, латунных или медных прямых или U- и W-образных труб диаметром от нескольких миллиметров до 57 мм и длиной от нескольких сантиметров до 6-9 м с диаметром корпуса до 1,4 м и более. Внедряются, особенно в холодильной технике и на транспорте, образцы кожухотрубчатых и секционных теплообменников с низкими накатными продольными, радиальными и спиральными ребрами. Высота продольного ребра не превышает 12-25 мм, а высота выступа катаных труб 1,5-3,0 мм при 600-800 ребрах на 1 м длины. Внешний диаметр труб с низкорадиальными (накатными) ребрами мало отличается от диаметра гладких труб, хотя поверхность теплообмена при этом возрастает в 1,5-2,5 раза. Форма такой поверхности теплообмена обеспечивает высокую тепловую эффективность аппарата при рабочих средах с различными теплофизическими свойствами.

В зависимости от конструкции пучка как гладкие, так и накатные трубы закрепляют в одной или двухтрубных решетках развальцовкой, разбортовкой, сваркой, спайкой или сальниковыми соединениями. Из всех перечисленных способов реже применяют более сложные и дорогостоящие сальниковые уплотнения, допускающие при тепловых удлинениях продольное перемещение труб.

Размещение труб в трубных решетках может быть осуществлено несколькими способами: по сторонам и вершинам правильных шестиугольников (шахматное), по сторонам и вершинам квадратов (коридорное), по концентрическим окружностям и по сторонам и вершинам шестиугольников со смещенной на угол в диагональю. Преимущественно трубы размещаются равномерно на всей площади решетки по сторонам и вершинам правильных шестиугольников. В аппаратах, предназначенных для работы на загрязненных жидкостях, часто принимают прямоугольное размещение труб для облегчения очистки межтрубного пространства.

В горизонтальных кожухотрубчатых теплообменниках-конденсаторах с целью уменьшения термического сопротивления на внешней поверхности труб, вызываемого пленкой конденсата, трубы рекомендуется размещать по сторонам и вершинам шестиугольника со смещенной на угол в диагональю, оставляя при этом в межтрубном пространстве свободные проходы для пара.



Рис. 1 - кожухотрубчатый теплообменный аппарат

1- корпус; 2 - трубы; 3 - трубные решетки; 4 - крышки; 5 - штуцеры для входа и выхода из трубного пространства; 6 - штуцеры для входа и выхода из межтрубного пространства; 7 - поперечные перегородки межтрубного пространства; 8,9 - опорные липы соответственно при вертикальном и горизонтальном расположении аппарата.



2. Расчетная часть

Условие задания: рассчитать и выбрать кожухотрубчатый испаритель для испарения 3000 кг/ч гептана начальной с температурой 20 градусов при давлении 2,0*105 Па.

Движущей силой любого процесса теплообмена является разность температур теплоносителей. Обозначим массовые расходы теплоносителей через и (кг/ч) их удельные теплоемкости - и (Дж/(кг*К), а их температуры входа и выхода из теплообменного аппарата, соответственно, через , , , . Для процесса испарения кг/с жидкости с начальной температурой и начальной удельной теплоемкостью потоком жидкости (газа) кг/с с удельной теплоемкостью , начальной и конечной температурами получим:

,

где - энтальпия образовавшегося пара.

Из этого уравнения находим тепловую нагрузку аппарата и расход вещества, за счет которого испаряется гептан. Определяем объемный расход обоих веществ. Для этого надо выбрать вещество, за счет которого будет испаряться гептан и рассчитать среднюю разницу температур между теплоносителями.

Пусть в трубном пространстве течет вещество, которое будет испаряться (будем обозначать его индексом 1), а в межтрубном - которым будем испарять (будем обозначать его индексом 2). Вещества обычно направляют противотоком друг к другу. При противотоке всегда требуется меньшая теплопередающая поверхность, чем при прямотоке, для передачи равного количества тепла в одинаковых условиях начальных и конечных температур сред.

В подавляющем большинстве случаев температуры сред в процессе теплопередачи будут изменяться в результате происходящего теплообмена, а, следовательно, будет изменяться и разность температур вдоль поверхности теплообмена. Поэтому рассчитывают среднюю разность температур по длине аппарата, но, так как это изменение нелинейно, то рассчитывают логарифмическую разность температур:

,

Где , большая и меньшая разности температур на концах теплообменника.

Выбираем, что в трубном пространстве течет гептан, а в межтрубном - анилин.

1. Определяем среднюю разность температур при противотоке теплоносителей.

20 гептан 98,42

95 анилин 145

Отношение , следовательно, средняя разность температур

2. Рассчитаем среднюю температуру каждого теплоносителя

для гептана

для анилина

Выпишем теплофизические свойства теплоносителей при их средних температурах



Таблица 1

Гептан	Анилин
При 59,21	При 120
, кг/	, Дж/(кг*К)	, Па*с	, Вт/(м*К)	, кг/	, Дж/(кг*К)	, Па*с	, Вт/(м*К)
651	2350	0,00028	112	932,8	2510	0,00059	0,164

3. Рассчитаем тепловую нагрузку аппарата.

Так как в заданном нам процессе происходит изменение агрегатного состояния вещества, то тепловая нагрузка находится по формуле:

,

где - энтальпия образовавшегося пара;

- теплоемкость гептана;

- массовый расход гептана.

4. Рассчитываем расход анилина.

Исходя из уравнения и найденной тепловой нагрузки на аппарат, вычисляем расход анилина, с помощью которого испаряем гептан:

,

где - тепловая нагрузка аппарата,

- теплоемкость анилина,

- начальная и конечная температуры анилина.

5. Найдем объемный расход веществ

,



где - массовый расход гептана,

- плотность гептана.

,

где - массовый расход анилина,

- плотность анилина.

6. Находим скорость течения жидкостей

По ГОСТ 15121-79 выбираем внутренний и наружный диаметр трубок, а также диаметр кожуха. Таким образом, внутренний диаметр трубок d1=0,025м, а наружный d2=d1+0,0025*2=0,029м, диаметр кожуха D=0,159м. Число трубок к данным n=19.

Определяем скорость движения теплоносителей по формулам:

, где

где - тепловой расход,

- площадь поверхности телопередачи,

- скорость течения жидкостей,

- количество трубок внутри кожуха,

- диаметр трубок.

- скорость течения гептана внутри трубок.



Находим площадь сечения межтрубного пространства:

- скорость течения анилина в межтрубном пространстве.

7. Определяем режим движения в межтрубном пространстве с помощью критерия Рейнольдса для анилина

Анилин течет по межтрубному пространству.

Ламинарный режим течения.

8. Рассчитаем критерий Прандтля для анилина

9. Найдем критерий Нуссельта для анилина

Для расчета критерия Нуссельта необходимо правильно выбрать расчетное уравнение.

Представленное критериальное уравнение применяется в диапазоне чисел Re от 1·10⁴ до 5·10⁶ и Pr от 0,6 до 2500.

10. Найдем коэффициенты теплоотдачи

Так как , то можно записать формулу для определения коэффициента теплоотдачи для анилина:



Коэффициент теплоотдачи для гептана находим по формуле:

Р=0,15 МПа,

11. Определение коэффициента теплопередачи для цилиндрической стенки

12. Расчет длины трубок

Требуемая длина трубок находится по формуле:

Общее количество трубок в аппарате равно 19, длину каждой из трубок находим по формуле:



Расположение труб в пучке определяется способом разбивки, шагом и числом ходов. В теплообменных аппаратах применяются следующие способы разбивки труб:

1) Шахматная, определяемая поперечным шагом;

2) Коридорная

Выбор размещения трубок производится с учетом таких требований:

- достижение максимальной компактности устройства, приводящей к уменьшению диаметра корпуса аппарата, а также к уменьшению сечения межтрубного пространства, что увеличивает скорость движущейся в нем рабочей среды и повышает коэффициент теплопередачи;

- обеспечение достаточной прочности;

- придание конструкции аппарата максимальной «технологичности» в смысле облегчения условий изготовления и ремонта аппарата.

Преимущественно распространение на практике получил первый из этих способов.

Рис. 2 - Размещение труб в пучке при шахматной разбивке



1. Результаты расчета

В ходе работы были решены следующие задачи:

1. Рассчитана средняя разность температур .

2. Рассчитана средняя температура каждого теплоносителя

для гептана

для анилина

3. Рассчитана тепловая нагрузка аппарата

4. Рассчитан расход анилина

5. Найдены скорости течения теплоносителей

- скорость течения гептана;

- скорость течения анилина.

6. Определили режим движения в межтрубном пространстве с помощью критерия Рейнольдса .

7. Найдены коэффициента теплоотдачи

для гептана;

для анилина.

8. Определили коэффициент теплопередачи для цилиндрической стенки .

9. Найдена общая длина всех трубок в аппарате

10. Длина каждой из труб



Заключение

В данной курсовой работе был произведен расчет кожухотрубчатого испарителя. В результате расчета были определены основные размеры аппарата: диаметр корпуса, количество, диаметр и длины трубок в кожухе, выбор размещения трубок, скорость движения теплоносителей.

Предложенная модель кожухотрубчатого испарителя может быть реализована на практике для испарения гептана с начальной температурой 20 градусов и конечной 98,42 градуса при давлении 2*Па. Для этого надо использовать 1 испаритель с диаметром кожуха D=0,159 мм, внутренним диаметром труб внутри кожуха d=0,025 мм и с общим числом труб в аппарате 19 при длине 4 м каждая.



Список использованной литературы

1. Пряхин А.С., Семенов П.Д. Конструкции и тепловой расчет теплообменных аппаратов. Учебное пособие - СПб.: СПГУВК, 2001г.

2. Данилова Г.Н. и др. «Сборник задач и расчетов по теплопередаче» - М. Л., Госторгиздат, 1961г.

Размещено на Allbest.ru

...