Теплообменный аппарат
Физические и химические свойства теплоносителей. Теплообменники с неподвижными трубными решётками. Теплообменники с оребренными трубами. Обоснование выбора теплообменного аппарата. Расчёт теплообменного аппарата и обеспечения турбулентного течения.
| Рубрика | Производство и технологии |
| Вид | курсовая работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 23.02.2019 |
| Размер файла | 648,6 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 Allbest.ru
ВВЕДЕНИЕ
теплообменный аппарат
Теплообменники - устройства, в которых тепло переходит от одной среды к другой.
Теплообмен между теплоносителями является одним из наиболее важных и часто используемых в технике процессов.
По способу передачи тепла различаются теплообменники смешения, в которых рабочие среды непосредственно соприкасаются или перемешиваются, и поверхностные теплообменники-рекуператоры, в которых тепло передаётся через поверхность нагрева - твёрдую (металлическую) стенку, разделяющую эти среды. Теплообмен происходит за счёт конвекции и теплопроводности стенки, а если хоть одна из жидкостей является излучающим газом, то и за счёт теплового излучения.
Тепловые расчёты теплообменников могут быть конструктивными и поверочными. Конструктивные тепловые расчёты выполняются при проектировании новых аппаратов, целью расчёта является определение поверхности теплообмена.
В теплообменных аппаратах могут происходить различные тепловые процессы: изменение температуры, испарение, кипение, конденсация, расплавление, затвердевание и, наконец, более сложные, комбинированные процессы. Количество тел, участвующих в этих процессах, может быть больше 2-х, а именно: тепло может передаваться от одного тела к нескольким другим телам или, наоборот, от нескольких тел к одному. Эти тела, отдающие или воспринимающие тепло, принято называть теплоносителями.
По основному назначению различаются подогреватели, испарители, холодильники, конденсаторы.
В зависимости от вида рабочих сред различаются теплообменники:
а) жидкостно-жидкостные - при теплообмене между 2-мя жидкими средами;
б) парожидкостные - при теплообмене между паром и жидкостью (паровые подогреватели, конденсаторы) ;
в) газожидкостные - при теплообмене между газом и жидкостью (холодильники для воздуха) и др.
По тепловому режиму различаются теплообменники периодического действия, в которых наблюдается нестационарный тепловой процесс, и непрерывного действия с установившимся во времени процессом.
Многотрубный кожухотрубчатый теплообменник представляет собой пучок трубок, помещенных в цилиндрическую камеру (кожух) ; таким образом, внутренность камеры является межтрубным пространством. К трубным решеткам крепятся распределительные коробки с патрубками для впуска рабочей жидкости, протекающей внутри трубок. Камера снабжена также патрубками для подвода и отвода второго рабочего тела.
Трубные решетки могут быть наглухо приварены или приклёпаны к корпусу, одна из решеток может быть не соединена с камерой. В этом случае уплотнение достигается резиновым кольцом, зажимающим щель между корпусом и решеткой.
Кожух теплообменника обычно стальной, цилиндрический. Иногда для обеспечения свободы температурного расширения кожуха и трубок на кожухе устраивают компенсатор.
Для осуществления длительной работоспособности в процессе эксплуатации при обработке среды, загрязненной или выделяющей отложения на стенках аппарата, необходимо производить периодические осмотры и очистку поверхностей.
Аппараты должны обладать достаточной прочностью и иметь возможно малые габаритные размеры. При конструировании необходимо находить оптимальные решения, учитывающие требования обеспечения возможности разборки рабочей части аппарата и герметичности системы каналов, возможность высоких коэффициентов теплопередачи за счет повышения скорости движения рабочей среды при минимальных гидравлических потерях в аппарате.
Одним из преимуществ трубчатых теплообменных аппаратов является простота конструкции.
При конструировании следует обоснованно решать вопрос о направлении теплоносителей в трубное или межтрубное пространство. В трубное пространство подают ту жидкость (воду или водные растворы), которая при нагревании или выпаривании может выделять нерастворимый осадок на стенках труб, а в межтрубное пространство подают чистую жидкость или конденсирующийся пар.
В данной работе используется аппарат - кожухотрубчатый теплообменник, в межтрубном пространстве которого протекает холодный раствор, а в трубном пространстве циркулирует фосфорная кислота.
1. ФИЗИКО?ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТЕПЛОНОСИТЕЛЕЙ
Физические и химические свойства теплоносителей часто предопределяют выбор типа и конструкцию теплообменника.
Важнейшими условиями, от которых зависит выбор теплоносителя, являются:
допускаемая температура нагревания или охлаждения теплоносителя и возможность ее регулирования;
упругость пара при принятой температуре и термическая устойчивость;
физические свойства, влияющие на теплообмен;
токсичность и химическая активность;
доступность и стоимость;
безопасность при нагревании.
В каждом конкретном случае исходя из условий процесса нагревания или охлаждения среды и конструктивных особенностей аппарата необходимо обосновать выбор теплоносителя, максимально удовлетворяющего предъявляемым к нему требованиям.
К наиболее распространенным теплоносителям относятся водяной насыщенный пар, вода, продукты сгорания топлива, воздух, дисперсные среды, высокотемпературные жидкости и их пары, жидкие металлы.
2. ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ
2.1 Кожухотрубчатые теплообменники
2.1.1 Теплообменники с неподвижными трубными решётками
Схема теплообменника с неподвижными трубными решетками приведена на рисунке 2. 1. В кожухе 1 размещен трубный пучок, теплообменные трубы 2 которого развальцованы в трубных решетках 3. Трубная решетка жестко соединена с кожухом. С торцов кожух аппарата закрыт распределительными камерами 4 и 5. Кожух и камеры соединены фланцами.
Рисунок 2. 1 - Теплообменник с неподвижной трубной решеткой
Трубы в кожухотрубчатых теплообменниках стараются разместить так, чтобы зазор между внутренней стенкой кожуха и поверхностью, огибающей пучок труб, был минимальным; в противном случае значительная часть теплоносителя может миновать основную поверхность теплообмена. Для уменьшения количества теплоносителя, проходящего между трубным пучком и кожухом, в этом пространстве устанавливают специальные заполнители, например, приваренные к кожуху продольные полосы как на рисунке 2. 2 или глухие трубы, которые не проходят через трубные решетки и могут быть расположены непосредственно у внутренней поверхности кожуха (см. рисунок 2. 2).
Рисунок 2. 2 - Способы расположения в пространстве между трубным пучком и кожухом полос (а) и заглушённых труб (6)
Поскольку интенсивность теплоотдачи при поперечном обтекании труб теплоносителем выше, чем при продольном, в межтрубном пространстве теплообменника установлены зафиксированные стяжками 5 поперечные перегородки 6, обеспечивающие зигзагообразное по длине аппарата движение теплоносителя в межтрубном пространстве.
Теплообменники этого типа отличаются простым устройством и сравнительно дешевы, однако им присущи два крупных недостатка. Во?первых, наружная поверхность труб не может быть очищена от загрязнений механическим способом, а теплоносители в некоторых случаях могут содержать примеси, способные оседать на поверхности труб в виде накипи, отложений и др. Слой таких отложений имеет малый коэффициент теплопроводности и способен весьма существенно ухудшить теплопередачу в аппарате.
Во?вторых, область применения теплообменных аппаратов этого типа ограничена возникновением в кожухе и трубах аппарата так называемых температурных напряжений. Это явление объясняется тем, что кожух и трубы теплообменника при его работе претерпевают разные температурные деформации, так как температура кожуха близка к температуре теплоносителя, циркулирующего в межтрубном пространстве, а температура труб - к температуре теплоносителя с большим коэффициентом теплоотдачи. Разность температурных удлинений возрастает, если кожух и трубки изготовлены из материалов с различными температурными коэффициентами линейного расширения. Возникающие при этом напряжения в сумме с напряжениями от давления среды в аппарате могут вызвать устойчивые деформации и даже разрушение конструкций.
Теплообменники этой группы изготовляют на условное давление 0, 6…4, 0 МПа, диаметром 159…1200 мм, с поверхностью теплообмена до 960 м2; длина их до 10 м, масса до 20 т. Теплообменники этого типа применяют до температуры 350 ЃЋ.
2.1.2 Теплообменники с температурным компенсатором на кожухе
В этих аппаратах для частичной компенсации температурных деформаций используют специальные гибкие элементы (расширители и компенсаторы), расположенные на кожухе.
Вертикальный кожухотрубчатый теплообменник с компенсатором как на рисунке 2. 3 отличается от теплообменника с неподвижной трубной решёткой наличием вваренного между двумя частями кожуха 1 линзового компенсатора 2 и обтекателя 3. Обтекатель уменьшает гидравлическое сопротивление межтрубного пространства такого аппарата; обтекатель приваривают к кожуху со стороны входа теплоносителя в межтрубное пространство.
Рисунок 2. 3 - Вертикальный кожухотрубчатый теплообменник с температурным компенсатором на кожухе
Наиболее часто в аппаратах этого типа используют одно? и многоэлементные линзовые компенсаторы как на рисунке 2. 4, изготовляемые обкаткой из коротких цилиндрических обечаек. Линзовый элемент, см. рисунок 2. 4, сварен из двух полулинз, полученных из листа штамповкой. Компенсирующая способность линзового компенсатора примерно пропорциональна числу линзовых элементов в нем, однако применять компенсаторы с числом линз более 4-х не рекомендуется, так как резко снижается сопротивление кожуха изгибу. Для увеличения компенсирующей способности линзового компенсатора он может быть при сборке кожуха предварительно сжат (если предназначен для работы на растяжение) или растянут (при работе на сжатие).
Рисунок 2. 4 - Компенсаторы: а - однолинзовый; б - сваренный из двух полулинз: в - двухлинзовый
При установке линзового компенсатора на горизонтальных аппаратах в нижней части каждой линзы сверлят дренажные отверстия с заглушками для слива воды после гидравлических испытаний аппарата.
Кроме линзовых можно использовать компенсаторы других типов, представленных на рисунке 2. 5: из плоских параллельных колец, соединенных пластиной по наружному краю (см. рисунок 2. 5, а), сваренные из двух полусферических элементов (см. рисунок 2. 5, б), тороидальные (см. рисунок 2. 5, в) и др.
Рисунок 2. 5 - Компенсаторы
Тороидальные компенсаторы довольно дешевы и просты в изготовлении. Их изготовляют из труб, сгибая в тор с последующей резкой его по внутренней поверхности. Для этих компенсаторов характерны небольшие (по сравнению с линзовым компенсатором) напряжения, плавно изменяющиеся по сечению компенсатора. Однако тяжелые условия работы сварного шва, соединяющего компенсатор с кожухом, сдерживают их широкое применение.
К аппаратам, обеспечивающим частичную компенсацию температурного расширения за счет гибких элементов в кожухе, относится аппарат с расширителем 1 на кожухе 3 как на рисунке 2. 6.
Рисунок 2. 6 - Теплообменник с расширителем на кожухе
Преимущество этой конструкции - эффективность теплообмена вследствие исключения застойных зон в межтрубном пространстве. Для кожухотрубчатых теплообменников особенно характерно образование таких зон вблизи трубных решеток, поскольку штуцера ввода и вывода теплоносителя расположены на некотором расстоянии от решеток. Для ликвидации застойных зон в аппарате с частичной компенсацией температурных расширений предусмотрен распределитель 2, который обеспечивает равномерное распределение теплоносителя по межтрубному пространству.
Введение линзового компенсатора или расширителя допускает гораздо больший температурный перепад, однако при этом возрастает стоимость аппарата.
Область использования аппаратов с температурным компенсатором ограничена избыточным давлением 2, 5 МПа.
2.1.3 Теплообменники с плавающей головкой
В теплообменниках с плавающей головкой теплообменные трубы закреплены в двух трубных решетках, одна из которых неподвижно связана с корпусом, а другая имеет возможность свободного осевого перемещения; последнее исключает возможность температурных деформаций кожуха и труб.
Горизонтальный двухходовой конденсатор с плавающей головкой на рисунке 2. 7 состоит из кожуха 10 и трубного пучка. Левая трубная решетка 1 соединена фланцевым соединением с кожухом и распределительной камерой 2, снабженной перегородкой 4. Камера закрыта плоской крышкой 3. Правая, подвижная, трубная решетка установлена внутри кожуха свободно и образует вместе с присоединенной к ней крышкой 8 «плавающую головку». Со стороны плавающей головки аппарат закрыт крышкой 7. При нагревании и удлинении трубок плавающая головка перемещается внутри кожуха.
Рисунок 2. 7 - Горизонтальный двухходовой конденсатор с плавающей головкой
Для обеспечения свободного перемещения трубного пучка внутри кожуха в аппаратах диаметром 800 мм и более трубный пучок снабжают опорной платформой 6.
Хотя в аппаратах данного типа обеспечивается хорошая компенсация температурных деформаций, эта компенсация не является полной, поскольку различие температурных расширений самих трубок приводит к короблению трубной решетки. В связи с этим в многоходовых теплообменниках с плавающей головкой диаметром более 1000 мм при значительной (выше 100 ЃЋ) разности температур входа и выхода среды в трубном пучке, как правило, устанавливают разрезную по диаметру плавающую головку.
Наиболее важный узел теплообменников с плавающей головкой - соединение плавающей трубной решетки с крышкой. Это соединение должно обеспечивать возможность легкого извлечения пучка из кожуха, аппарата, а также минимальный зазор между кожухом и пучком труб. Вариант, показанный на рисунке 2. 8, позволяет извлекать трубный пучок, но зазор получается больше.
Рисунок 2. 8 - Вариант размещения плавающей головки в кожухе большего диаметра
Размещение плавающей головки внутри крышки, диаметр которой больше диаметра кожуха, как на рисунке 2. 9, позволяет уменьшить зазор, но при этом усложняется демонтаж аппарата, так как плавающую головку нельзя извлечь из кожуха теплообменника.
Рисунок 2. 9 - Вариант размещения крышки плавающей головки в кожухе меньшего диаметра
2.1.4 Теплообменники с U?образными трубами
В кожухотрубчатых аппаратах этой конструкции обеспечивается свободное удлинение труб, что исключает возможность возникновения температурных напряжений.
Такие аппараты как на рисунке 2. 10 состоят из кожуха 2 и трубного пучка, имеющего одну трубную решетку 3 и U?образные трубы 1. Трубная решетка вместе с распределительной камерой 4 крепится к кожуху аппарата на фланце.
Рисунок 2. 10 - Кожухотрубчатый аппарат с U?образными трубами
Для обеспечения раздельного ввода и вывода циркулирующего по трубам теплоносителя в распределительной камере предусмотрена перегородка 5.
В аппаратах с U?образными трубами обеспечивается свободное температурное удлинение труб: каждая труба может расширяться независимо, от кожуха и соседних труб. Разность температур стенок труб по ходам в этих аппаратах не должна превышать 100 ЃЋ. В противном случае могут возникнуть опасные температурные напряжения в трубной решетке вследствие температурного скачка на линии стыка двух ее частей.
Преимущество конструкции аппарата данного типа - возможность периодического извлечения трубного пучка для очистки наружной поверхности труб или полной замены пучка. Однако следует отметить, что наружная поверхность труб в этих аппаратах неудобна для механической очистки. Поскольку механическая очистка внутренней поверхности труб практически невозможна, в трубное пространство таких аппаратов следует направлять среду, не образующую отложений, которые требуют механической очистки.
Один из наиболее распространенных дефектов кожухотрубчатого теплообменника с U?образными трубами - нарушение герметичности узла соединения труб с трубной решеткой из-за весьма значительных изгибающих напряжений, возникающих от массы труб и протекающей в них среды. В связи с этим теплообменные аппараты диаметром от 800 мм и более для удобства монтажа и уменьшения изгибающих напряжений в трубном пучке снабжают роликовыми опорами.
К недостаткам теплообменных аппаратов этого типа следует отнести относительно плохое заполнение кожуха трубами из-за ограничений, обусловленных изгибом труб.
К существенным недостаткам аппаратов с U?образными трубами следует отнести невозможность замены труб (за исключением крайних труб) при выходе их из строя, а также сложность размещения труб, особенно при большом их числе.
Из?за указанных недостатков теплообменные аппараты этого типа не нашли широкого применения.
2.2 Двухтрубные теплообменники
Двухтрубные теплообменники как на рисунке 2. 11 довольно часто называют теплообменниками типа «труба в трубе». Они представляют собой набор последовательно соединенных элементов, состоящих из двух концентрически расположенных труб.
Рисунок 2. 11 - Двухтрубный теплообменный аппарат
Один из теплоносителей движется по внутренним трубам, другой - в кольцевом зазоре, образованном внутренними и наружными трубами. Внутренние трубы соединяются калачами, а наружные - патрубками. Длина элемента теплообменника типа «труба в трубе» обычно составляет 3-6 м, Диаметр наружной трубы - 159 мм, внутренней - от 10 до 57 мм.
Двухтрубные теплообменные аппараты используются при малых расходах теплоносителей для создания значительных скоростей. Они способны выдерживать значительные давления в обоих пространствах. Поперечные сечения внутренней трубы и кольцевого сечения межтрубного пространства невелики, что и обеспечивает для обоих жидкофазных теплоносителей достаточные для интенсивной теплоотдачи скорости (до 3 м/с). При повышенных скоростях замедляются процессы отложения загрязнений на теплообменных поверхностях. Двухтрубные теплообменники имеют общую плоскую конфигурацию и, не занимая много места, удобно монтируются в одну, 2-3 параллельных линии.
Недостаток двухтрубных теплообменников - относительно малая теплообменная поверхность, приходящаяся на единицу их массы, а также громоздкость, высокая стоимость вследствие большого расхода металла на наружные трубы, не участвующие в теплообмене, сложность очистки кольцевого пространства.
2.3 Змеевиковые теплообменники
В змеевиковых теплообменниках основным теплообменным элементом является согнутая в виде спирали труба. Иногда в спираль параллельно свернуты 2-3 трубы, внутри которых обычно проходит более горячий теплоноситель. Второй теплоноситель (чаще нагреваемая жидкость) заполняет емкость, внутри которой и находится змеевик. Скорость движения второго теплоносителя невелика в связи с большим сечением корпуса аппарата, что обусловливает низкие значения коэффициентов теплоотдачи со стороны наружной стенки змеевика. Для интенсификации внешней теплоотдачи от поверхности змеевика может использоваться вращающаяся мешалка, что одновременно уменьшает скорость отложения загрязнений на наружной поверхности труб змеевика.
Погружные змеевиковые теплообменные аппараты предельно просты, наружная поверхность труб легко доступна для осмотра и механической очистки, а малый диаметр трубок (обычно 25-37 мм) позволяет работать с весьма высокими давлениями греющего пара или жидкого теплоносителя внутри трубок. Однако змеевиковые теплообменники обладают сравнительно незначительной теплопередающей поверхностью, обычно не превышающей 10-15 м2.
К достоинствам аппарата с приваренными змеевиками следует отнести возможность разделения системы труб?змеевиков на отдельные секции, питаемые независимо друг от друга. Включением и отключением отдельных секций можно регулировать обогрев или охлаждение аппарата. Немаловажным достоинством теплообменников подобного типа является то, что материал привариваемых змеевиков может быть более дешевым, чем материал корпуса аппарата.
2.4 Оросительные теплообменники
Оросительные теплообменники применяют в основном для охлаждения жидкостей и газов или конденсации паров. Оросительный теплообменник представляет собой змеевик из размещенных друг над другом прямых труб, соединенных между собой калачами. Снаружи трубы орошаются водой, подаваемой в желоб для равномерного распределения охлаждающей воды по всей длине верхней трубы змеевика. Отработанная вода стекает в поддон. По трубам протекает охлаждаемый теплоноситель.
Оросительные теплообменные аппараты предельно просты и обладают малой металлоемкостью на один квадратный метр теплопередающей поверхности, поскольку не имеют конструктивно оформленного объема для охлаждающей воды. Коэффициенты теплоотдачи от наружной поверхности труб к стекающей под действием гравитации тонкой пленке воды имеют значительные величины. Наружная поверхность труб доступна для осмотра и механической очистки от минеральных отложений и ржавчины. С другой стороны, при работе теплообменника оросительного типа происходит потеря некоторой доли охлаждающей воды вследствие ее частичного испарения, кроме того, эта испаренная влага оказывается в помещении и ее необходимо удалять, если оросительный теплообменный аппарат не установлен специально вне помещения. Имеются определенные трудности с созданием равномерного распределения орошающей трубы воды по значительной (до 8 метров) длине труб и по их вертикальным рядам.
К недостаткам таких теплообменников следует отнести их громоздкость, неравномерность смачивания наружной поверхности труб, нижние ряды которых могут вообще не смачиваться и практически не участвовать в теплообмене. Поэтому, несмотря на простоту изготовления, легкость чистки наружных стенок труб и другие достоинства, оросительные теплообменники находят ограниченное применение.
2.5 Теплообменники с оребренными трубами
Теплообменники с оребренными трубами. В технике довольно часто встречаются процессы теплообмена, в которых коэффициенты теплоотдачи по обе стороны поверхности теплопередачи значительно отличаются по величине. Так, например, при нагреве воздуха конденсирующимся водяным паром коэффициент теплоотдачи от пара к стенке составляет примерно 10000-15000 Вт/ (м2•К), а от стенки к нагреваемому воздуху - 10-50 Вт/ (м2•К). Оребрение труб со стороны воздуха позволяет существенно повысить тепловую нагрузку теплообменника за счет увеличения поверхности теплообмена со стороны теплоносителя с низким коэффициентом теплоотдачи. Оребренные трубы также используются при нагреве или охлаждении сильновязких жидкостей.
2.6 Пластинчатые теплообменники
Рисунок 2. 12 - Пластины, схема движения теплоносителей, исполнение пластинчатого теплообменника на консольной раме
Пластинчатые теплообменные аппараты - это собранные в пакеты параллельные гофрированные металлические пластины толщиной до 1 мм, зазоры между которыми составляют обычно 3-6 мм и представляют собой щелевые волнистые каналы для параллельного движения обоих теплоносителей. Для увеличения поверхности теплообмена и турбулизации потоков теплоносителей проточную часть пластины делают гофрированной или ребристой, причем гофры могут быть горизонтальными или расположенными в «елочку».
Поскольку скорость движения теплоносителей в щелевых каналах значительна (1-3 м/с), то коэффициенты теплопередачи в пластинчатых теплообменниках достигают больших значений порядка 4000 Вт/ (м2•К) при сравнительно невысоких гидравлических сопротивлениях.
Материалом пластин является нержавеющая сталь, титан, алюминий, мельхиор, материал прокладки - резина на клею, синтетический каучук.
Пластинчатые теплообменники относительно просто разбираются и легко очищаются. Но герметичность многочисленных соединений пластин в разборных пластинчатых аппаратах представляет известную проблему, поэтому здесь вероятно некоторое взаимное проникновение теплоносителей. В герметичных сварных пластинчатых аппаратах исчезает возможность осмотра и очистки теплообменных поверхностей. Впрочем, турбулизация потоков внутри волнистых щелевых каналов более чем в два раза замедляет отложение загрязнений по сравнению с теплообменниками кожухотрубчатого типа.
Существует до 60 конфигураций пластин, изготовление которых не является легкой механической операцией, особенно для пластин крупных размеров. Поэтому пластинчатые теплообменные аппараты обычно имеют относительно скромные габариты или собираются из наборов пластин, размеры которых не превышают одного метра.
2.7 Спиральные теплообменники
В спиральных теплообменниках как на рисунке 2. 13 поверхность теплообмена образована двумя тонкими металлическими листами 1 и 2, приваренными к разделительной перегородке 3 и свернутыми в виде спиралей. В результате образуются два спиральных канала прямоугольного поперечного сечения, которые имеют боковые и осевые патрубки для подвода теплоносителей. Для придания листам жесткости и прочности, а также для фиксирования расстояния между спиралями к листам с обеих сторон приварены дистанционные штифты 4. В стандартных теплообменниках зазор между пластинами равен 8 или 12 мм. Уплотнение спиральных каналов производится торцевыми крышками 5.
Рисунок 2. 13 - Спиральный теплообменный аппарат
Интенсивность теплообмена в таких аппаратах весьма высока ввиду значительной скорости (до 3 м/с и более) перемещения обоих теплоносителей в гладких щелевых каналах. Спиральные теплообменники отличаются большими значениями теплообменных поверхностей на единицу объема конструкции, в них без трудностей создается противоточное движение теплоносителей (чаще жидкофазных). Однако такие аппараты сложны в изготовлении и не могут работать при давлениях выше 0, 6-1, 0 МПа, поскольку торцевая герметизация металлических листов и плоских крышек представляет серьезную механическую проблему.
3. ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА
В теплообменных аппаратах возможен прямоток и противоток теплоносителей. Прямоток используется при незначительном изменении температуры. В рассматриваемом же примере, так как изменение температуры охлаждаемого вещества происходит от 70 до 25 ЃЋ, лучше использовать противоток.
Вертикальное расположение теплообменного аппарата удобнее использовать при прямотоке двух жидкостей или при противотоке в системе из жидкости и пара, когда пар поднимается вверх, а жидкость стекает вниз. В данном же примере удобнее взять горизонтальное расположение теплообменного аппарата.
Решение вопроса о том, какой теплоноситель направить в трубное пространство, обусловлено его температурой, давлением, способностью загрязнять поверхности теплообменна, расходом и др. В рассматриваемом примере в трубное пространство с меньшим проходным сечением целесообразно направить теплоноситель с меньшим расходом, т. е. горячий раствор. Это позволит выровнять скорости движения теплоносителей и соответствующие коэффициенты теплоотдачи, увеличивая таким образом коэффициент теплопередачи. Кроме того, направляя поток холодной жидкости в межтрубное пространство, можно отказаться от теплоизоляции кожуха теплообменника.
Повышенная коррозионная активность данных жидкостей диктует выбор нержавеющей стали в качестве материала труб и кожуха.
4. РАСЧЁТ ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА
Фосфорная кислота:
с = 983, 2 кг/м3
м = 0, 00066 Па•с
с = 2064, 1 Дж/ (кг•К)
л = 0, 599 Вт/ (м•К)
G = 1200 кг/ч (0, 333 кг/с)
tн = 70 ЃЋ
tк = 25 ЃЋ
Холодный раствор - коррозионно?активная жидкость с физико?химическими свойствами, близкими к воде.
tн = 10 ЃЋ
tк = 15 ЃЋ
л = 0, 21 Вт/ (м•К)
м = 0, 00134 Па•с
с = 3800 Дж/ (кг•К)
с = 890 кг/м3
Примем индекс «1» для горячего теплоносителя (H3PO4), индекс «2» - для холодного теплоносителя (холодный раствор).
Рисунок 2. 14 - Температурная схема
Средняя разность температур рассчитывается по уравнению:
Средняя температура H3PO4
Средняя температура холодного раствора
Количество теплоты, отнимаемой от H3PO4, равно
Расход холодного раствора равен
Объёмный расход H3PO4
Объёмный расход холодного раствора равен
Ориентировочно определяем максимальную величину площади поверхности теплообмена. Минимальное значение коэффициента теплопередачи для случая теплообмена от жидкости к воде Кмин = 500 Вт/ (м2•К). При этом Для обеспечения турбулентного течения H3PO4 при Re > 10 000 скорость в трубах должна быть больше щ1 при трубах d = 20 x 2 мм
при трубах d = 25 x 2 мм
Число труб диаметром 20 х 2 мм, обеспечивающих объёмный расход H3PO4 при Re > 10 000
Число труб диаметром 25 х 2 мм, обеспечивающих объёмный расход H3PO4 при Re > 10 000
Теперь проведём уточнённый расчёт следующих вариантов.
1К: D = 159 мм, dн = 20 х 2 мм, z = 1, n/z = 19/1 = 19.
2К: D = 159 мм, dн = 25 х 2 мм, z = 1, n/z = 13/1 = 13.
Уточнённый расчёт поверхности теплопередачи.
Вариант 1К
Уточняем значение критерия Re1
Коэффициент теплоотдачи к жидкости, движущейся по трубам турбулентно, равен:
Поправкой здесь можно пренебречь, так как разность температур t1 и t1 ст невелика (менее Дt ср. = 33, 2).
Площадь сечения потока в межтрубном пространстве между перегородками Sмтр = 0, 005 м2, тогда:
Коэффициент теплоотдачи к жидкости, движущейся в межтрубном пространстве:
В соответствии с табличными данными примем термические сопротивления загрязнений одинаковыми, равными rз 1 = rз 2 = 1/2900 (м2•К) /Вт. Теплопроводность нержавеющей стали примем равной лст = 17, 5 Вт/ (м•К). Сумма термических сопротивлений стенки и загрязнений равна
Коэффициент теплопередачи
Требуемая поверхность составит
Из выбранного ряда подходит теплообменник с трубами длиной 1, 5 м и номинальной поверхностью F1K = 2, 0 м2. При этом запас
Масса теплообменника 196 кг.
Вариант 2К.
Уточняем значение критерия Re1
Коэффициент теплоотдачи к жидкости, движущейся по трубам турбулентно, равен:
Площадь сечения потока в межтрубном пространстве между перегородками Sмтр = 0, 008 м2, тогда:
Коэффициент теплоотдачи к жидкости, движущейся в межтрубном пространстве:
Сумма термических сопротивлений стенки и загрязнений равна
Коэффициент теплопередачи
Требуемая поверхность составит
Из выбранного ряда можно взять систему из двух аппаратов с трубами длиной 2, 0 м и общей поверхностью F2K = 4, 0 м2. При этом запас
Такой запас поверхности является избыточным и экономически невыгодным, поэтому данный теплообменник не подходит.
Расчёт гидравлического сопротивления
Продолжим с вариантом 1К
Скорость жидкости в трубах
Коэффициент трения рассчитывают по формуле
Диметр штуцеров в распределительной камере dтр. ш. = 80 мм; скорость в штуцерах
В трубном пространстве следующие местные сопротивления: вход в камеру и выход из неё; один вход в трубы и один выход из них.
В соответствии с формулой гидравлическое сопротивление трубного пространства равно
Число рядов труб, омываемых потоком в межтрубном пространстве
округляя в большую сторону, получим m = 3. Число сегментных перегородок х = 10 (по таблице). Диаметр штуцеров к кожуху dмтр. ш. = 80 мм, скорость потока в штуцерах
Скорость жидкости в наиболее узком сечении межтрубного пространства площадью Sмтр = 0, 005 м2 равна
В межтрубном пространстве следующие местные сопротивления: вход и выход жидкости через штуцера, 10 поворотов через сегментные перегородки (по их числу х = 10) и 11 сопротивлений трубного пучка при его поперечном обтекании (х + 1).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В ходе расчётов курсового проекта по заданным веществам и их тепловому обмену был спроектирован горизонтальный теплообменный аппарат массой 196 кг, диаметром 159 мм с длиной труб 1, 5 м и их диаметром 20 х 2 мм, в котором для охлаждения фосфорной кислоты H3PO4, пущенной по трубам, используется противоток холодного раствора коррозионно-активной жидкости с физико-химическими свойствами, близкими к свойствам воды, пущенного по межтрубному пространству. Материал труб и кожуха - сталь.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию/ Г. С. Борисов, В. П. Брыков, Ю. И. Дытнерский и др. Под ред. Ю. И. Дытнерского, 2-е изд., перераб. и дополн. М. : Химия, 1991. - 496 с.
2. Расчёт кожухотрубчатого теплообменника: методические указания к курсовой работе/ Б. М. Лёгких, Р. Ш. Масуров - Оренбург: ГОУ - ОГУ, 2004. - 17 с.
3. Теплообменные, сушильные и холодильные установки/ П. Д. Лебедев. Под ред. А. М. Бакластова. М. - Л., издательство «Энергия», 1966. - 288 с.
4. Процессы и аппараты химической промышленности: Учебник для техникумов/ П. Г. Романков, М. И. Курочкина, Ю. Я. Мозжерин и др. - Л. : Химия, 1989. - 560 с. : ил.
5. Мои лекции. ру [Электронный ресурс]. Режим доступа: http: //mylektsii. ru/9-10312. html
6. Презентации на любую тему [Электронный ресурс]. Режим досутпа: http: //present5. com/teploobmennye-apparaty-teplovoj-raschet-teploobmennyx-apparatov-1-klassifikaciya/
7. Способы обеспечения тепловых режимов РЭС: учеб. пособие/ А. В. Муратов, Н. В. Ципина. Воронеж: ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет», 2007. - 96 с.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Математическая 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 20.04.2011Тепловой 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 16.02.2011Механический 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 28.04.2016Расчет 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 17.06.2011Преимущества 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 14.06.2012Проектирование кожухотрубчатого теплообменного аппарата с компенсатором на корпусе. Расчет на прочность и геометрические размеры цилиндрической обечайки, торосферических крышек, труб, трубной решетки, компенсатора, кожухов, фланцевых соединений аппарата.
курсовая работа [1,3 M], добавлен 13.06.2014Определение 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 28.04.2015Описание конструкции теплообменного аппарата. Выбор материала для корпуса, крышек, труб и трубных решеток. Расчет толщины стенки аппарата, фланцевых соединений и трубной решетки. Параметры линзового компенсатора. Прочность опор и опорная площадка.
курсовая работа [919,1 K], добавлен 01.12.2011Обоснование и выбор исходных данных для расчета теплообменного аппарата. Подбор и обоснование выбора типа фланцевого соединения. Выбор конструктивных параметров некоторых элементов теплообменных аппаратов. Расчет толщины стенки корпуса и трубной решетки.
курсовая работа [812,6 K], добавлен 11.12.2012Технологический 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 11.03.2011Сущность 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 20.03.2011Проектирование 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 19.01.2010Разработка технологии сварки обечайки корпуса теплообменного аппарата для атомных электростанций. Анализ и выбор способа изготовления с учетом особенностей свариваемости стали 09Х18Н10Т. Описание электронно-лучевой сварки. Выбор сварочного оборудования.
курсовая работа [615,9 K], добавлен 14.03.2010Механический 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 15.12.2015Проектирование 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 16.07.2011Конструкторский 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 27.12.2013Классификация 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 16.03.2012Материальные 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 12.10.2012Роль систем автоматизированного производства в проектировании. Аммиак и его свойства, способы хранения. Расчёт химических параметров реакции образования аммиака. Создание модели теплообменного аппарата. Проектирование базы данных процесса ректификации.
курсовая работа [1,6 M], добавлен 08.02.2016Теплообменные аппараты для газотурбинных установок, их применение в технике. Проект газоохладителя с продольной схемой движения теплоносителей. Конструкция трубного пучка, форма теплообменного аппарата; расчет основных теплофизических показателей.
курсовая работа [1,8 M], добавлен 30.03.2011
