Вибір кожухотрубного теплообмінника

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВСТУП

Сучасні процеси в промисловості переробки полімерних матеріалів протікають при надзвичайно різноманітних умовах.

Подальший розвиток та удосконалення технологічних процесів переробки полімерних матеріалів пов'язаний з утворенням установок великої одиничної потужності, оснащених сучасним обладнанням. В зв'язку зі збільшенням одиничної потужності установок зростають вимоги до їх оснащення в цілому і оснащення окремих апаратів.

Сучасне обладнання повинно працювати надійно на протязі тривалого часу при оптимально інтенсивних режимах експлуатації.

Широке використання кожухотрубчастих теплообмінників обумовлене налагодженим виробництвом їх машинобудівними заводами з різних конструкційних матеріалів, можливістю застосування для різних середовищ у широкому діапазоні робочого тиску і температур, уніфікацією та стандартизацією, надійністю в роботі та великим виробничим досвідом їх експлуатації.

Завданням курсового проекту є обґрунтування вибору конструкції теплообмінника, принцип дії, розрахувати тепловий баланс, витрати теплоносіїв, розрахувати та підібрати за державним стандартом кожухотрубний теплообмінник та діаметри штуцерів.

1. ЗАГАЛЬНА ЧАСТИНА

1.1 Призначення та сутність процесу

Тепловий процес - це процес переносу тепла від більш нагрітого тіла до менш нагрітого.

Перенесення енергії від більш нагрітих середовищ до менш нагрітих відбувається під дією рушійної сили, яка в теплових процесах вимірюється через локальну або середню різницю температур між теплоносіями. Звичайно при досягненні однакових температур між теплоносіями встановлюється рівноважний стан, але такий стан у природі і техніці є суто теоретичним, тому що досягнути його можна лише за тривалий час.

Тіла (робочі середовища), що беруть участь у процесах теплообміну, називаються теплоносіями. Робоче середовище з більш високою початковою температурою називають гарячим теплоносієм. У процесі теплообміну гарячий теплоносій віддає теплову енергію, при цьому температура гарячого теплоносія знижується. Робоче середовище з меншою початковою температурою називають холодним теплоносієм, у процесі теплообміну теплова енергія передається від гарячого до холодного теплоносія , та температура останнього підвищується.

Процеси, пов'язані з передачею тепла від гарячих теплоносіїв до холодних, називаються теплообмінними.

У процесі теплообміну гарячий і холодний теплоносії звичайно розділені стінкою, яка здатна добре переносити тепло та виключає можливість змішування теплоносіїв з різними фізико-хімічними властивостями.

Основні способи передачі тепла:

Теплопровідність - це передача тепла всередині тіла від одних частинок до інших внаслідок їх руху і взаємного контактування, шляхом теплопровідності.

Конвекція - це перенесення тепла в рідинах та газах шляхом переміщення їх частинок. Якщо переміщення об'ємів середовища відбувається мимовільно від впливом різниці густини, то така конвекція називається вільною. Якщо переміщення об'ємів відбувається в результаті впливу зовнішніх сил, то така конвекція називається вимушеною або примусовою.

Теплове випромінювання - за допомогою переносу теплової енергії методами електромагнітної радіації або фотонами у певному діапазоні довжин хвиль у середовищі газів, рідини або твердих тіл, при цьому середовище повинне мати властивість часткової або повної прозорості стосовно променистої енергії.

Окремий частковий процес перенесення тепла в межах однорідної фази з ядра потоку гарячого теплоносія до поверхні теплопередачі або від нагрітої поверхні у ядро потоку холодного теплоносія називається тепловіддачею.

Процес перенесення тепла з ядра потоку гарячого теплоносія у ядро потоку холодного теплоносія через роздільну стінку (міжфазну границю) називається теплопередачею. Основний закон теплопередачі:

Q = К · F · Дtcер, Вт, (1.1)

передача тепло теплообмінник кожухотрубний

де К - коефіцієнт теплопередачі, Вт/м2·К;

F - поверхня теплообміну, м2;

Дtcер - середній температурний напір, 0С.

Кількість тепла, що передасться від гарячого теплоносія до холодного агента пропорційна поверхні теплообміну F (м2) і середньому температурному напору.

Основні види руху теплоносів:

а) прямоток - обидва теплоносії рухаються в одному напрямку;

б) протиток - теплоносіі рухаються у протилежних напрямках;

в) перехресний ток - теплоносії рухаються взаємоперпендикулярно;

г) змішаний ток - це коли один теплоносій рухається в одному напрямку, а другий - то прямотоком, то протитоком по відношенню до першого.

При деяких розрахунках можна зробити такий висновок, що протиточний рух теплоносіїв вигідніший ніж прямоточний рух теплоносіїв, тому що при протитоці більший середній температурний напір і передається більша кількість тепла.

В якості охолоджуючих агентів використовують воду, повітря. Вода являє собою найбільш розповсюджений хладагент для штучного охолодження.

Вона має ряд переваг:

? висока теплоємність;

? високий коефіцієнт тепловіддачі;

? доступність.

Недоліки полягають у тому, що з води на стінках апарату може відкладатись осад водяного каменю.

1.2 Обґрунтування конструкції та принцип дії апарату

В процесах переробки полімерів потрібно підводити або відводити тепло, щоб забезпечити потрібну температуру в апаратах. Для цих цілей служать спеціальні апарати, які називаються теплообмінними або теплообмінниками. В теплообмінних апаратах один із потоків віддає тепло, а другий сприймає, тобто один потік нагрівається, а інший - охолоджується.

Теплообмінним називають обладнання, у якому проходять процеси обміну теплотою між двома теплоносіями.

Теплообмінники класифікують:

За способом передачі тепла:

? поверхневі - тепло передається через розділяючу глуху стінку;

? теплообмінники змішувальні, в яких відбувається безпосереднє змішування теплоносіїв;

? регенеративні - в них теплоносій нагрівається від контактування із твердою нагрітою стінкою, яка періодично нагрівається іншим теплоносієм.

За призначенням: підігрівачі, холодильники, конденсатори.

Найширше застосування поверхневі теплообмінники набули в промисловості переробки полімерних матеріалів:

а) кожухотрубні:

? жорсткі теплообмінники;

? з лінзовим компенсатором;

? з плавочою головкою;

? U-подібні;

? секційні кожухотрубні;

б) змієвикові:

? погружні змієвикові;

? зрошувальні;

? «труба в трубі».

У поверхневих теплообмінниках теплоносії розділені стінкою та обмінюються теплом через поверхню теплообміну. Поверхневі теплообмінники бувають двох типів: рекуперативні та регенеративні.

У рекуперативних теплообмінних апаратах теплоносії одночасно рухаються по різні боки поверхні теплопередачі та обмінюються теплом через роздільну стінку.

У регенеративних теплообмінниках теплообмінна поверхня по черзі обмивається спочатку гарячим, а потім холодним теплоносієм, тому регенеративні теплообмінники працюють циклічно. Спочатку в апарат подається гарячий теплоносій, який контактує з розвинутою теплообмінною поверхнею - насадкою з великою масою, при цьому відбувається її розігрівання до заданої температури та накопичення певного запасу тепла. Через деякий проміжок часу відбувається автоматичне перемикання регулювальних клапанів і в апарат надходить холодний теплоносій, який контактує з нагрітою поверхнею насадки, нагрівається сам і одночасно охолоджує поверхню теплообміну. Після цього знову відбувається переключення клапанів, і в апарат подається гарячий теплоносій. Як правило, в регенеративних теплообмінниках відбувається теплообмін між газовими теплоносіями.

Технологічне призначення кожухотрубчастих теплообмінників звичайно відображене в умовних позначеннях, при цьому застосовують такі буквені індекси: И - випарник; К - конденсатор; Т - теплообмінник; X - холодильник.

За способом утворення теплообмінної поверхні розрізняють: апарати, виготовлені з труб (трубні, кожухотрубчасті, змійовикові, кручені та ін.); теплообмінні апарати, виготовлені з листового прокату (пластинчасті, спіральні та ін.).

За орієнтацією теплообмінної поверхні розрізняють вертикальні (В), горизонтальні (Г) та похилі.

За способом компенсації температурних подовжень теплообмінні апарати бувають:

? жорсткої конструкції типу ТН - з нерухомими трубними дошками (твердий кожух і нерухоме кріплення трубних грат);

? напівжорсткої конструкції типу ТК - з температурним компенсатором на корпусі (напівжорсткий кожух і нерухоме кріплення трубних грат);

? нежорсткої конструкції типу ТП - з температурним компенсатором у вигляді плаваючої голівки (твердий кожух, нерухоме кріплення однієї трубної дошки та вільне переміщення іншої);

? типу ТУ - з U-подібними теплообмінними трубами (жорстким кріпленням однієї трубної дошки і вільним переміщенням пучка U-подібних труб).

Згідно розрахунків, які проведені в розділі 2.1 пояснювальної записки, для здійснення процесу охолодження толуолу водою проектуємо три двохходових теплообмінника.

На рисунку 1.1 наведено будова кожухотрубного одноходового теплообмінника. Кожухотрубний теплообмінник являє собою апарат напівжорсткої конструкції з лінзовим компенсатором на корпусі, деформація якого забезпечує зниження температурних зусиль в корпусі, складений із пучка гладких труб, які герметично закріплені у трубних гратах, а потім вмонтовані в кожух-корпус. Основний елемент кожухотрубних теплообмінників - труби. Маса трубного пучка - 60-70% від маси апарату. В проектуємому теплообміннику застосовують труби, діаметр яких дорівнює 25Ч2 мм.

Конструктивна особливість цього теплообмінника залежить від того, що пучок труб, зібраний в двох трубних решітках, жорстко закріплений в корпусі теплообмінника. Це забезпечує простоту конструкції, але головний недолік - це погане сприйняття температурної напруги, що обмежує їх застосування.

Труби в трубній решітці кріпляться шляхом розвальцовки. Розвальцовуються труби за допомогою спеціального інструменту - вальцовка, який має обертаючі рамки, що під час обертання розширюються за допомогою конуса, і таким чином розширюють кінець труби. Кінець труби пластично деформується і щільно прижимається до гнізда. Матеріал решітки повинен бути твердішим ніж матеріал труб.

Поперечні перегородки у міжтрубному просторі застосовуються для забезпечення необхідного напрямку теплого агенту та одночасно підтримують трубний пучок. Товщина перегородок залежить від діаметру апарату, тому роблять 5-10 мм. Кріплять за допомогою стержнів, які розмішені між трубками.

Переваги: компактність, невелика витрата металу, легкість очищення труб з середини.

Недоліки: труднощі пропускання теплоносіїв з великою швидкістю, трудноші очищення міжтрубного простору та малий доступ до його огляду та ремонту.

В проектуємому апараті є трубний простір, куди подається вода, так як з води на стінках може відкладатись осад водяного каменю, то вода направляється у трубний простір, а толуол - в міжтрубний. Вода - зверху-вниз, а толуол - знизу-верх.

1 - розподільна камера; 2 - трубна грата; 3 - корпус-кожух; 4 - трубчатка; 5 - лінзовий компенсатор; 6 - кришка; 7 - опори рухома; 8 - нерухома опора; 9 - міжтрубні перегородки l - довжина труб

Рисунок 1.1 - Кожухотрубний горизонтальний одноходовий теплообмінник

2. РОЗРАХУНКОВА ЧАСТИНА

2.1 Тепловий розрахунок

Перерахування масових витрат теплоносія здійснюємо за формулою:

кг/с, (2.1)

де G' = 20,5 т/год - масові витрати толуолу.

Теплове навантаження на апарат по гарячому теплоносію визначаємо за формулою:

Q = Gгар • Сгар • , Вт, (2.2)

де Gгар - масові витрати гарячого теплоносія - толуолу, кг/с;

Сгар - питома теплоємність толуолу при середній температурі, Дж/кг·К;

- початкова температура толуолу, 0С;

- кінцева температура толуолу, 0С.

Для визначення середнього температурного напору на рисунку 2.1 наведено рух теплоносія - протиток, відповідно до завдання.

Середній температурний напір:

850С 550С гарячий теплоносій - толуол

320С 180С холодний теплоносій - вода

Рисунок 2.1 - Протиточний рух теплоносіїв

За рисунком 2.1 визначаємо:

- максимальну різницю температур

?tmax = 85 - 32 = 530С; (2.3)

- мінімальну різницю температур

?tmіn = 55 - 18 = 370С.

Оскільки має місце співвідношення

< 2, (2.4)

то середній температурний напір визначаємо за формулою:

0С. (2.5)

Середню температуру води, яка необхідна для розрахунку середньої температури толуолу, розраховуємо за формулою:

0С. (2.6)

Визначаємо середню температура толуолу:

tт = tв + ?tсер = 25 + 45 = 700С. (2.7)

При tт = 700С теплоємність толуолу становить Ст = 1936 Дж/кг•К
[1, с.809].

При tв = 250С теплоємність води становить Св = 4185 Дж/кг•К [1, с.808].

За формулою (2.2) визначаємо теплове навантаження на апарат:

Q = Gгар • Сгар • = 5,69 • 1936 • (85 - 55) = 330475,2 Вт,

де tгпоч = 850С - початкова температура толуолу;

tгкін = 550С - кінцева температура толуолу.

Масові витрати охолоджуючої води визначаємо за формулою:

кг/с, (2.8)

де Q = 792420,93 Вт - теплове навантаження;

tхпоч = 180С - початкова температура води;

tхкін = 320С - кінцева температура води;

Св - теплоємність води при t = 250С, Дж/кг•К.

Розрахунок площі поверхні. Вибір теплообмінника.

Для вибору теплообмінника необхідно визначити величину площі поверхні теплообміну.

Так як з води на стінках може відкладатись осад водяного каменю, то вода направляється у трубний простір, а толуол - в міжтрубний.

Користуючись довідниковими даними, мінімальне орієнтовне значення коефіцієнта теплопередачі приймаємо: Кор = 800 Вт/м2•К [2, с.172, табл.4.8].

Орієнтовне значення площі поверхні теплообміну становить:

м2. (2.9)

Приймаємо труби діаметром 25Ч2 мм, внутрішній діаметр яких дорівнює:

dвн = 25 - 2 • 2 = 21 мм = 0,021 м. (2.10)

Рух рідини в трубному простору є турбулентний, якому відповідає критерій Рейнольдса, Rе > 10000. В цьому випадку швидкість руху води в трубному просторі визначаємо за формулою:

 м/с, (2.11)

де мв = 0,9005•10-3 Па•с - в'язкість води при t = 250С [1, с.806];

св = 996,5 кг/м3 - густина води при t = 250С [1, с.804].

Визначаємо кількість труб, які забезпечують витрати води при
Rе = 10000:

шт. (2.12)

Приймаємо умовно теплообмінник за довідниковими даними [2, с.214, табл.4.12].

Умовам F < 9,2 м2 і < 38 задовольняє теплообмінник одноходовий з наступною характеристикою (таблиця 2.1).

Таблиця 2.1 - Характеристика умовно прийнятого кожухотрубного теплообмінника

№ п/п	Показник	Позначення	Одиниця вимірювання	Значення
1	Діаметр кожуха	Д	мм	273
2	Довжина труб	l	м	3
3	Поверхня теплообміну	F	м2	9,0
4	Відношення кількості труб на один хід		шт	37

Визначаємо коефіцієнт тепловіддачі для води за формулою:

Вт/м2•К, (2.13)

де Nuв - критерій Нуссельта;

лв - теплопровідність води, Вт/м•К.

Уточнюємо значення критерію Rев:

, (2.14)

де n' = 38 шт - розрахункова кількість труб на один хід;

n = 37 шт - прийняте число труб на один хід.

Визначаємо критерій Прандтля для води при t = 250С:

, (2.15)

де лв25 = 0,6061 Вт/м•К - теплопровідність води при t = 250С [1, с.806].

Підбираємо критеріальне рівняння для турбулентного руху рідини всередині труб.

Для турбулентного руху води в середині труб критерій Нуссельта становить:

(2.16)

Для розрахунку приймаємо з наступною перевіркою, та Ец = 1 [2, табл.4.3].

В цьому випадку критерій Нуссельта становить:

=

= 0,021 • 1 • 102700,8 • 6,220,43 • 1,05 = 78.

Отримані результати розрахунків підставляємо в формулу (2.13):

Вт/м2•К.

Визначаємо коефіцієнт тепловіддачі для толуолу, який конденсується в міжтрубному просторі з поперечними перегородками.

За довідниковими даними [2, с.215, табл.4.12], [2, с.538] визначаємо за формулою стрілку сегмента перегородки:

мм, (2.17)

де Двн = 273 мм - внутрішній діаметр кожуха [2, с.215, табл.4.12];

h = 40 мм - відстань по діагоналі до хорди сегмент

[2, с.583, табл.ХХХV].

Відстань між перегородками визначаємо за формулою:

, мм, (2.18)

де Х - коефіцієнт, який враховує звуження перетину при наявності труб, визначаємо за рівнянням:

, (2.19)

де d = 25 мм - діаметр труб;

t = 32 мм - шаг труб [1, с.429].

Отримане значення підставляємо в формулу (2.18) і розраховуємо відстань між перегородками:

мм.

Швидкість потоку толуолу в прохідному (живому) перерізі перегородки:

м/с, (2.20)

де Gт = 5,69 кг/с - масова витрата толуолу;

Sж.п =1,3·10-2 м2- площа прохідного перерізу в вирізі перегородки,

[2, табл.ХХХV];

ст = 818 кг/м3 - густина толуолу при t = 700С [1, с.805].

Визначаємо критерій Рейнольдса для міжтрубного простору, по якому рухається толуол за формулою:

, (2.21)

де мт = 0,35•10-3 Па•с - в'язкість толуолу при t = 700С [1, с.807].

Для міжтрубного простору кожухотрубного теплообмінника з поперечними перегородками при Rе > 1000 критеріальне рівняння має вид:

. (2.22)

Критерій Прандтля для толуолу при t = 700С:

, (2.23)

де мт = 0,35•10-3 Па•с - в'язкість толуолу при t = 700С [1, с.807];

Ст = 1936 Дж/кг•К - питома теплоємність толуолу при t = 700С

[1, с.809];

лт = 0,1253 Вт/м•К - теплопровідність толуолу при t = 700С [1, с.811].

Для визначення критерія Прандтля стінки толуолу необхідно визначити середню температуру стінки толуолу, яка становить:

0С. (2.24)

Визначаємо критерій Прандтля для стінки толуолу за формулою:

, (2.25)

де мст.т = 0,4315•10-3 Па•с [1, с.807];

Сст т = 1831,88 Дж/кг•К [1, с.809];

лст.т = 0,1298 Вт/м•К [1, с.811].

Коефіцієнт Ец, який враховує кут атаки приймаємо рівним 0,6 (кут атаки 250) [2, табл.4.5].

Отримані результати підставляємо в формулу (2.22):

=

Коефіцієнт тепловіддачі для толуолу визначаємо за формулою:

Вт/м2•К. (2.26)

Для визначення коефіцієнту теплопередачі приймаємо:

- теплову провідність зі сторони води

Вт/м2•К [2, табл.ХХХІ];

- теплову провідність зі сторони толуолу

Вт/м2•К;

- коефіцієнт теплопровідності сталі

лст = 46,5 Вт/м•К [2, с.529, табл.ХХVІІІ].

Загальну теплову забрудненість визначаємо за формулою:

Вт/м2•К, (2.27)

де д = 0,002 м - товщина стінки труби.

На підставі розрахунків коефіцієнт теплопередачі визначаємо за формулою:

Вт/м2•К. (2.28)

Питоме теплове навантаження розраховуємо за формулою:

q = К • ?tсер = 543 • 45 = 24435 Вт/м2. (2.29)

Перевіряємо прийняте значення , розраховуючи:

- різницю температури води

0С; (2.30)

- середню уточнену температуру стінки води

?tст.в = 25 + 10,9 = 35,90С. (2.31)

Уточнюємо критерій Прандтля для стінки води, який становить:

, (2.32)

де мст.в = 0,7155•10-3 Па•с [1, с.806];

Сст.в = 4182,82 Дж/кг•К [1, с.806];

лст.в = 0,6251 Вт/м•К [1, с.809].

Уточнюємо співвідношення:

. (2.33)

Різниця між прийнятою і розрахованою величинами складає %, що допустимо. (2.34)

Примітка: межа різниці між прийнятою та розрахунковою величиною не повинна перебільшувати 5%.

Розрахункова поверхня теплообміну:

м2. (2.35)

До установки приймаємо два одноходових теплообмінника типу ХК з наступною характеристикою, яка представлена в таблиці 2.2.

Таблиця 2.2 - Характеристика прийнятого кожухотрубного теплообмінника

№ п/п	Показник	Позначення	Одиниця вимірювання	Значення
1	Діаметр	Д	мм	273
2	Довжина	l	м	3
3	Поверхня теплообміну	F	м2	9,0
4	Відношення кількості труб на один хід		шт	37

Запас площі поверхні теплообміну:

%, (2.36)

де n = 2 - кількість теплообмінних апаратів;

Fпр = 9 м2 - прийнята площа поверхні теплообміну [2, с.215, табл.4.12];

F = 13,5 м2 - розрахункова поверхня теплообміну (див. формулу (2.35).

2.2 Розрахунок діаметрів штуцерів

Розрахунок діаметрів здійснюємо за рівнянням нерозірваності потоку:

, м. (2.37)

Розраховуємо діаметри штуцерів для міжтрубного простору вводу та виводу толуолу за формулою (2.37):

м, (2.38)

де Gт = 5,69 кг/с - витрата толуолу;

ст = 818 кг/м3 - густина толуолу (див. формулу (2.20);

wт - лінійна швидкість рідини.

Користуючись довідниковими даними [1, с.187], лінійна швидкість рідини знаходиться в інтервалі 0,5-4 м/с. Приймаємо w = 0,5 м/с.

Визначаємо діаметри штуцерів для трубного простору вводу та виводу води за формулою (2.37):

м, (2.39)

де Gв = 5,64 кг/с - витрата води (див. формулу (2.8);

св = 996,5 кг/м3 - густина води (див. формулу (2.11);

wв = 1 м/с - лінійна швидкість подачі води [1, с.187].

Умовні діаметри штуцерів приймаємо згідно ГОСТу та зводимо їх у таблицю 2.3.

Таблиця 2.3 - Діаметри штуцерів

Найменування штуцерів	Діаметр розрахунковий, мм	Діаметр умовний, мм
Вхід та вихід толуолу	133	150
Вхід та вихід води	90	100

ВИСНОВКИ

В ході виконання курсового проекту розглянуто: призначення та сутність теплового процесу, обґрунтований вибір конструкцій теплообмінника типу ХК, проведений розрахунок кожухотрубного теплообмінника, внаслідок чого за ГОСТом підібрано два одноходових кожухотрубних теплообмінників з наступною характеристикою:

внутрішній діаметр кожуха Двн = 273 мм;

загальна кількість трубок n = 37 шт;

поверхня теплообмінника F = 9,0 м2;

довжина труб l = 3,0 м [2, табл.4.12].

Запас площі поверхні теплообміну становить 33,3%, що є достатнім. Крім цього були розраховані та обрані за ГОСТом діаметри штуцерів. Для трубного простору - 100 мм, для міжтрубного - 150 мм.

Виконано креслення: загальний вид апарату - кожухотрубний теплообмінник.

ЛІТЕРАТУРА

Плановский А.Н., Рамм В.М. Процессы и аппараты химической технологии. - М.: Химия, 1968.

Павлов К.Ф., Романков П.Г. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. - Л.: Химия, 1987.

Иоффе И.Л. Проектирование процессов и аппаратов химической технологии. - Л.: Химия, 1991.

Романков П.Г., Курочкина М.И. Процессы и аппараты химической промышленности. - Л.: Химия, 1989.

Размещено на Allbest.ru

...