Расчет кожухотрубчатого теплообменника

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Первое высшее техническое учебное заведение россии

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра металлургии

КУРСОВАЯ РАБОТА

По дисциплине: Металлургическая теплотехника и основы печных технологий

Тема работы: Расчет кожухотрубчатого теплообменника

Автор:

студент гр. МЦ-19

Петровская Э.А.

Руководитель работы

доцент Фещенко Р.Ю.

Санкт-Петербург

2021 год



ПЕРВОЕ ВЫСШЕЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ УЧЕБНОЕ ЗАВЕДЕНИЕ РОССИИ

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра металлургии

УТВЕРЖДАЮ

Заведующий кафедрой

/Бричкин В.Н./

"___"__________20___ г.

КУРСОВАЯ РАБОТА

По дисциплине: Металлургическая теплотехника и основы печных технологий

ЗАДАНИЕ

Студенту группы МЦ-19 Петровская Э.А.

1. Тема работы: Расчет кожухотрубчатого теплообменника.

2. Содержание пояснительной записки: введение; заключение; библиографический список.

3. Перечень графического материала: таблицы и рисунки.

5. Срок сдачи законченной работы: 27 декабря 2021 г.

Руководитель работы: доцент __________ /Фещенко Р.Ю./

Задание принял к исполнению студент _________ /Петровская Э.А./

Дата выдачи задания: 1 декабря 2021 г.



Содержание

Введение

Общие сведения о теплообменных аппаратах

Поверхностные теплообменники

Смесительные теплообменники

Кожухотрубчатый теплообменный аппарат

Расчет кожухотрубчатого теплообменника

Исходные данные для расчета

Тепловой расчет

Гидравлический расчет

Механический расчет

Заключение

Список литературы



Введение

Теплообменными аппаратами, или теплообменниками, называются устройства для передачи тепла от одних сред (горячих теплоносителей) к другим (холодным теплоносителям). Теплообменные аппараты применяются для нагревания и охлаждения веществ в различных агрегатных состояниях, испарения жидкостей и конденсации паров, перегонки и сублимации, абсорбции и адсорбции, расплавления твердых тел и кристаллизации, отвода и подвода тепла при проведении экзо- и эндотермических реакций и т.д.

Кожухотрубчатые теплообменники относятся к наиболее распространенным аппаратам. Их применяют для теплообмена и термохимических процессов между различными жидкостями, парами и газами как без изменения, так и с изменением их агрегатного состояния.

Цель курсовой работы - спроектировать вертикальный пароводяной подогреватель, предназначенный для подогрева воды системы отопления в цехах производственных помещений.

пароводяной подогреватель смесительный отопление



Общие сведения о теплообменных аппаратах

Теплообменники по способу передачи теплоты подразделяют на поверхностные, где отсутствует непосредственный контакт теплоносителей, а передача тепла происходит через твёрдую стенку, и смесительные, где теплоносители контактируют непосредственно. Поверхностные теплообменники в свою очередь подразделяются на рекуперативные и регенеративные, в зависимости от одновременного или поочерёдного контакта теплоносителей с разделяющей их стенкой. Теплообменные аппараты поверхностного типа, кроме того классифицируются по назначению (подогреватели, холодильники и т.д.); по взаимному направлению теплоносителей (прямоток, противоток, смешанный ток и т.д.); по материалу поверхности теплообмена; по числу ходов и т.д.

Поверхностные теплообменники

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, независимыми от времени, т.е. процесс теплопередачи имеет стационарный характер. Поэтому рекуперативные теплообменники называют также стационарными. Рекуператоры могут работать как в периодическом, так и в непрерывном 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 перекрестноточными при взаимно перпендикулярном движении двух взаимодействующих сред.

Наиболее распространённые в промышленности рекуперативные теплообменники:

- кожухотрубные теплообменники,

- элементные (секционные) теплообменники,

- двухтрубные теплообменники типа "труба в трубе",

- витые теплообменники,

- погружные теплообменники,

- оросительные теплообменники,

- ребристые теплообменники,

- спиральные теплообменники,

- пластинчатые теплообменники,

- пластинчато-ребристые теплообменники,

- графитовые теплообменники.

Секционные (элементные) теплообменники, являющиеся разновидность трубчатых аппаратов, состоят из нескольких последовательно соединенных секция, каждая из которых представляет собой трубчатку с малым числом труб, помещенную в кожухе небольшого диаметра. В секционных аппаратах, сравнительно простых по конструкции, даже без внутренних перегородок легко достижимы благоприятные для хорошего теплообмена условия: противоточное и равномерное по проходному сечению движение теплоносителей, а также достаточно высокие и примерно равные их скорости (для физически однородных сред). Для удаления трубного пучка из кожуха при ремонте задняя трубная решетка изготовляется иногда из диска и кольца на газовой резьбе, при этом с таким расчетом, чтобы диаметр диска был на 2-4 мм меньше внутреннего диаметра кожуха.

Теплообменники «труба в трубе», называемые также двухтрубными, представляют собой разновидность секционных аппаратов и применяются при небольших расходах, но высоких давлениях теплоносителей. Небольшие поперечные сечения внутренней трубы и кольцевого зазора позволяют достигать высоких скоростей теплоносителей.

Рисунок 1 - Секционные теплообменники

а - секционный (элементный) теплообменник; б - теплообменник «труба в трубе»

Недостатки секционных теплообменников: громоздкость и относительно высокая стоимость поверхности теплообмена из-за большого числа кожухов, камер, трубных решеток, фланцев и других деталей, а также значительный расход электроэнергии на преодоление гидравлического сопротивления, повышенного многочисленными поворотами и переходами.

Ребристые трубчатые теплообменники наиболее эффективны в условиях, когда коэффициенты теплообмена по обеим сторонам стенки различаются значительно. При охлаждении, например, горячего воздуха холодной водой. Улучшение условий теплопередачи достигается искусственным увеличением поверхности теплообмена путем насаживания пластин или изготовлением монолитных с телом трубы ребер на той стороне стенки, где величина коэффициента теплоотдачи мала.

Ребристую поверхность теплообменников изготовляют разнообразных конструкций.

Рисунок 2 - Ребристые теплообменники

а - труба с оребрением прямоугольными шайбами; б - труба со спиральным оребрением; в - плавниковое оребрение труб; г - проволочное (биспиральное) оребрение труб; д - чугунная труба с двусторонним игольчатым оребрением; е - многоребристая труба

Существенное значение для эффективности работы ребристых теплообменных аппаратов имеет хороший контакт между трубами и насаженными ребрами, который достигается их совместным лужением или оцинкованием.

Пластинчатые теплообменники. Организация теплообмена между газами в трубчатых аппаратах с гладкими трубами характеризуется низким коэффициентом теплопередачи и малым коэффициентом удельной поверхности нагрева. Для газовых теплоносителей с близкими по значению коэффициентами теплоотдачи нашли применение пластинчатые теплообменники.

Гладкопластинчатые теплообменные аппараты изготавливают из тонких гладких металлических. листов в виде многослойных пакетов. Такие теплообменники весьма компактны. Однако прочность пластин невысока, поэтому они применимы только для низких давлений; в них трудно обеспечить достаточную герметичность, необходимую для предотвращения смешения теплоносителей. Теплообменники из гладких пластин используются для подогрева воздуха топочными газами и для теплообмена между газами в установках глубокого охлаждения.

Спиральные теплообменники изготавливают также из гладких металлических листов, но значительно большей толщины (до 8 мм). Они предназначаются для подогрева или охлаждения жидкостей и газов с давлением до 10 ат и могут работать как при противотоке, так и при прямотоке, без изменения и с изменением агрегатного состояния одного из теплоносителей. Спиральный теплообменник состоит из пакета, образованного свернутыми в спираль двумя металлическими листами, двух плоских крышек, опорной рамы и четырех патрубков для входа и выхода теплоносителей.

Спиральные теплообменники почти в 2 раза компактнее обычных кожухотрубчатых теплообменников, и их вес относительно невелик; при малых гидравлических сопротивлениях в них достигается высокий коэффициент теплопередачи. Однако спиральные теплообменники сложны в изготовлении и в ремонте, герметизация каналов с разными теплоносителями в них затруднительна.

2) Регенеративные теплообменники

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



Рисунок 3 - Принципиальные конструкции пластинчатых теплообменников а - гладкопластинчатый; б - спиральный

Смесительные теплообменники

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

Рисунок 4 - Теплообменник струйного типа

Кожухотрубчатый теплообменный аппарат

Наиболее широкое распространение получили кожухотрубчатые теплообменные аппараты, используемые для теплообмена между потоками в различных агрегатных состояниях (пар-жидкость, жидкость-жидкость, газ-газ, газ-жидкость).

Аппарат состоит из пучка труб, помещенного внутри цилиндрического корпуса (обечайки), сваренного из листовой стали, реже -- литого. Трубки завальцованы в двух трубных решетках или приварены к ним в зависимости от свойств конструкционных материалов.

Аппарат снабжен двумя съемными крышками со штуцерами для входа и выхода теплоносителя, движущегося внутри труб. Трубное и межтрубное пространства разобщены. Второй теплоноситель движется в межтрубном пространстве, снабженном входным и выходным штуцерами. По трубам движется, как правило, тот поток, который содержит взвешенные твердые частицы (для удобства чистки), находится под большим давлением (чтобы не утяжелять корпус) или обладает агрессивными свойствами (для предохранения корпуса от коррозии).

Площадь проходного сечения межтрубного пространства значительно больше (иногда в 2 раза) суммарного живого сечения труб, поэтому при одинаковых объемных расходах теплоносителей коэффициент теплоотдачи со стороны межтрубного пространства оказывается более низким. Для устранения этого явления прибегают к увеличению скорости теплоносителя путем размещения различных перегородок в межтрубном пространстве.

В кожухотрубчатых теплообменниках достигаются достаточно большие отношения теплообменной поверхности к объему и массе. Размеры поверхности теплообмена легко можно варьировать в широких пределах, конструкция имеет достаточную прочность и выдерживает нормальные нагрузки при сборке, перевозке и монтаже теплообменника, а также внутренние и внешние напряжения в обычных условиях эксплуатации. Очистка кожухотрубчатого теплообменника не вызывает затруднений, а его элементы, наиболее подверженные коррозии, - прокладки и трубы - легко могут быть заменены. Конструктивные особенности позволяют применять этот тип почти во всех случаях, включая предельно низкие или высокие температуры и давления, большие градиенты температур, при испарении и конденсации и использовании сильно загрязненных и коррозионно-активных теплоносителей.

Трубы являются основным элементом, обеспечивающим теплопередачу между теплоносителем, протекающим внутри тубы и в межтрубном пространстве. Трубы могут быть либо гладкими, либо с невысокими ребрами снаружи. Трубы либо развальцовываются в трубной доске, либо привариваются к ним снаружи. В некоторых случаях при низких давлениях трубы просто вставляются в отверстия в трубных досках.

Трубная доска представляет собой металлический диск, в котором имеются отверстия для труб, элементов уплотнений, дистанционирующих решеток и крепежных болтов, если трубная доска привинчивается к фланцу кожуха (трубная доска может быть также приварена к кожуху).

Кожух имеет вид цилиндра, внутри которого помещены трубы и циркулирует теплоноситель. Кожух малого диаметра (до 0,6 м) можно изготовить из трубы, обрезав ее до желаемой длины.

Теплоноситель поступает в кожух через входной патрубок и выходит через выходной. Чаще всего патрубки изготовляются из стандартных труб, которые привариваются к кожуху. Там, где требуются малые потери давления, равномерное распределение теплоносителя или защита от коррозии, применяются специальные конструкции. В тех случаях, когда в межтрубное пространство подается двухфазный поток или насыщенный пар, внутри кожуха за входным патрубком могут быть установлены отражающие пластины, имеющие несколько большие размеры, чем сечение патрубка.

Распределение теплоносителя по трубам осуществляется через коллекторы и патрубки. Поскольку теплоноситель, протекающий через трубы, в большей степени способствует коррозии, эти элементы могут быть изготовлены из сплавов или низкоуглеродистых сталей с наплавленным или нанесенным взрывом покрытием крышки сборного и распределительного коллектора прикрепляются таким образом, чтобы обеспечить без повреждений осмотр трубной доски и труб. Для теплоносителя, текущего по трубам, могут быть использованы вместо коллекторов завинчивающиеся крышки с боковыми патрубками.

Важным элементом большинства кожухотрубчатых теплообменников является набор перегородок. Они предохраняют трубы от изгиба и вибрации, а также направляют поток поперек труб для улучшения теплоотдачи (и, как следствие, увеличивают перепад давления).

Кожухотрубчатые теплообменные аппараты могут использоваться в качестве теплообменников, холодильников, конденсаторов и испарителей.

Конкретный выбор типа аппарата зависит от относительной значимости отдельных факторов и назначения аппарата: стоимости изготовления аппарата (капитальные затраты), эксплуатационных расходов (особенно расходов на прокачку теплоносителя), возможности очистки аппарата, склонности к коррозии, разности рабочих давлений сред, опасностей, связанных с утечкой хладоносителя, рабочего диапазона температур, возможности возникновения вибрации труб, и появления усталостных повреждений.

Кожухотрубчатые аппараты соответственно местным условиям располагаются вертикально или горизонтально; при необходимости удлинения пути теплоносителей они могут соединяться последовательно, а при невозможности размещения требуемого числа труб в одном корпусе их соединяют параллельно, могут быть одно- , двух- , четырех- и шестиходовыми по трубному пространству. Трубы, кожух и другие элементы конструкции могут быть изготовлены из углеродистой или нержавеющей стали.

При конструкции различают теплообменники с неподвижными трубными решетками, в которых обе решетки жестко прикреплены к корпусу и трубы не могут свободно удлиняться, и теплообменники с компенсирующими устройствами, в которых трубы могут свободно удлиняться.

В теплообменниках с неподвижными трубными решетками при различном тепловом удлинении труб и кожуха возникают температурные напряжения; поэтому такие теплообменники применяют при небольшой разности температур между трубами и кожухом.

Для одноходовых теплообменников при сравнительно небольших расходах жидкости скорость её движения в трубах низка и, следовательно, коэффициенты теплоотдачи невелики. Для увеличения последних при данной поверхности теплообмена можно уменьшить диаметр труб, соответственно увеличив их высоту (длину). Однако теплообменники небольшого диаметра и значительной высоты не удобны для монтажа, требуют высоких помещений и повышенного расхода металла на изготовление деталей, не участвующих непосредственно в теплообменниках.

Рисунок 5 - 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 расположениях аппарата

Расчет кожухотрубчатого теплообменника

Исходные данные для расчета

1) давление воды

2) температура воды на входе

3) температура воды на выходе

4) расход воды

5) давление греющего пара ;

6) температура греющего пара

Тепловой расчет

При заданном давлении пара и температуре по I-S диаграмме определяем состояние пара. Если он перегрет, то имеются две зоны теплообмена:

1) охлаждение пара от до

2) конденсация насыщенного пара на вертикальных трубках.

Считаем, что переохлаждение конденсата нет, тогда расчет поверхности проводят отдельно для каждой зоны.

Определение тепловой нагрузки аппарата

Параметры теплоносителей находим по справочным таблицам при средних температурах воды и пара , °С:

где - температура воды на входе в подогреватель,; - температура воды на выходе из подогревателя,.

где - температура перегретого пара, ; - температура насыщенного пара,, определяем по справочной таблице.

При принимаем следующие справочные данные:

1) - теплоемкость воды;

2) - плотность воды;

3) - коэффициент кинематической вязкости воды;

4) - коэффициент теплопроводности воды;

5) - число Прандтля для воды.

При принимаем следующие справочные данные:

1) - теплоемкость пара;

2) - плотность пара;

3) - коэффициент кинематической вязкости пара;

4) - коэффициент теплопроводности пара;

5) - число Прандтля для пара.

Количество теплоты, кВт, передаваемой паром воде, определяем по формуле:

Количество теплоты, кВт, передаваемой паром воде в 1-й зоне, вычисляем по формуле:

где - массовый расход пара, кг/с; - теплоемкость пара, .



Массовый расход пара, кг/с, рассчитываем по формуле:

где r - теплота парообразования пара, кДж/кг, определяемая по температуре насыщения пара.

Тогда

Количество теплоты, кВт, передаваемой паром воде во 2-й зоне:

Суммарное значение переданной теплоты паром воде:

Расчет коэффициента теплопередачи и конструктивных размеров аппарата

Для расчета коэффициента теплопередачи произвольно выбираем наружный диаметр трубок и скорость воды в них . Трубки изготавливают толщиной из стали 12МХ с коэффициентом теплопроводности .

Определяем режим течения воды в трубах

где - критерий Рейнольдса; - скорость воды в трубках, м/с; - внутренний диаметр трубок, м; - коэффициент кинематической вязкости воды, м²/с.

Так как , то режим течения воды в трубках - турбулентный.

Критерий Нуссельта для турбулентного режима течения определяем по следующей формуле:

где - число Прандтля для воды; - поправочный коэффициент, при отношении длины трубок к их диаметру l/d > 50 коэффициент .

Из критериального уравнения Нуссельта определяем коэффициент теплоотдачи от внутренней поверхности стенки трубки к воде:

где - коэффициент теплопроводности воды, .

Рассчитываем количество трубок в трубной решетке:

Принимаем ромбическое расположение труб в трубной решетке. По справочной таблице находим действительное значение количества труб в решетке и относительный диаметр трубной решетки = 6. Шаг между трубками диаметром равен , тогда диаметр трубной решетки будет

Кольцевой зазор k между крайними трубками и корпусом принимаем равным 10 мм.

Внутренний диаметр корпуса аппарата составит

Расчетное значение внутреннего диаметра кожуха округляем до ближайшего размера. Принимаем

При ромбическом расположении труб число шестиугольников для размещения труб определяется

Число труб по диагонали наибольшего шестиугольника составит

Общее число труб в шестиугольниках будет

Поверхность теплообмена в 1-й зоне. Определяем площадь межтрубного пространства для прохода пара:

Скорость пара в межтрубном пространстве:

Для вычисления коэффициента теплоотдачи от пара к трубке находим критерий Рейнольдса для пара:

где - эквивалентный диаметр, м, рассчитываем

где - смоченный диаметр, м.

Критерий Рейнольдса соответствует установившемуся турбулентному движению пара, поэтому критерий Нуссельта будет определен по формуле:

где - число Прандтля для пара.

Из критериального уравнения Нуссельта определяем коэффициент теплоотдачи от пара к стенке трубки:

где - коэффициент теплопроводности пара, .

Коэффициент теплопередачи в 1-й зоне:

где - термическое сопротивление накипи.

Температурный напор в 1-й зоне будет найден:

где - температура воды на границе между зонами, .

Поверхность теплообмена 1-й зоны составит:

Поверхность теплообмена во 2-й зоне. Предполагаем, что во 2-й зоне коэффициент теплоотдачи от внутренней стенки трубки к жидкости равен коэффициенту теплоотдачи в 1-й зоне. Это допустимо, так как свойства воды во 2-й зоне мало отличаются от свойств воды в 1-й зоне.

Коэффициент теплопередачи для 2-й зоны можно определить графоаналитическим методом. Для этого предварительно находим для различных участков перехода теплоты зависимость между удельным тепловым потоком q и перепадом температур

Удельный тепловой поток от пара к стенке,

где - безразмерный коэффициент; - предполагаемая высота трубок; - температурный перепад между паром и наружной стенки трубки,; - температура на наружной поверхности стенки трубки,.

Задаем ряд значений и вычисляем соответствующие им величины и (таблица 1). По полученным данным строим кривую (рисунок 6).

Таблица 1

Данные для построения кривой

	10	20	30	40	50	60	70	80
	5,623	9,457	12,819	15,905	18,803	21,558	24,200	26,750
	38,466	64,691	87,683	108,798	128,618	147,465	165,538	182,975

Определяем плотность теплового потока через стенку,

где - температурный перепад между стенками трубки, - температура на внутренней поверхности стенки.

Задаваясь значениями, вычисляем соответствующие им величины (таблица 2) и строим кривую (рисунок 6).

Таблица 2

Данные для построения кривой

	10	20	30	40	50	60	70	80
	390	780	1170	1560	1950	2340	2730	3120

Удельный тепловой поток через накипь,

где - температурный перепад между внутренней поверхностью стенки и накипью, - температура на поверхности накипи.

Задаваясь значениями, вычисляем соответствующие им величины (таблица 3) и строим кривую (рисунок 6).

Таблица 3

Данные для построения кривой

	10	20	30	40	50	60	70	80
	30,3	60,6	90,9	121,2	151,5	181,8	212,1	242,4

Удельный тепловой поток от стенки к воде,

где - температурный перепад между накипью и водой,.

Задаваясь значениями, вычисляем соответствующие им величины (таблица 4) и строим кривую (рисунок 6).

Таблица 4

Данные для построения кривой

	10	20	30	40	50	60	70	80
	81,685	163,369	245,054	326,738	408,423	490,107	571,792	653,476

Средний температурный напор в 2-й зоне будет найден:

Отсюда средний удельный тепловой поток:

Складывая ординаты четырех зависимостей, строят суммарную зависимость от q (рисунок 6).

На оси ординат из точки, соответствующей , проводим прямую, параллельную оси абсцисс до пересечения с кривой Из точки пересечения опускаем перпендикуляр на ось абсцисс и находим фактическое значение удельного теплового потока .

Полная разность температур между теплоносителями

Графическое значение удельного потока

Рисунок 6 - Определение температурного напора графоаналитическим методом

Коэффициент теплопередачи во 2-й зоне будет найден:

Поверхность теплообмена во 2-й зоне

Суммарная поверхность теплообмена

Общая длина трубок

где - средний диаметр трубок,

Число ходов подогревателя

Принимаем двухходовой подогреватель.

Общее число трубок подогревателя составит

Для определения диаметра корпуса необходимо пересчитать размеры трубной решетки. Поскольку аппарат двухходовой, необходимо предусмотреть место для перегородок и анкерных связей и в каждом ходе разместить по 37 трубок.

Принимаем ромбическое расположение труб в трубной решетке. По справочной таблице находим действительное значение количества труб в решетке и относительный диаметр трубной решетки = 10. Шаг между трубками диаметром равен , тогда диаметр трубной решетки будет

Кольцевой зазор k между крайними трубками и корпусом принимаем равным 10 мм.

Внутренний диаметр корпуса аппарата составит

Внутренний диаметр многоходового теплообменника определяем с учетом размещения перегородок в распределительной камере и руководствуемся рекомендациями. Принимаем

Определяем площадь межтрубного пространства без учета перегородок для прохода пара:

Коэффициент, учитывающий сужение живого сечения межтрубного пространства

Расстояние между сегментными перегородками

Эквивалентная длина пути теплоносителя

где - расстояние от края сегментной перегородки до корпуса аппарата.

Площадь живого сечения межтрубного пространства с учетом перегородок

Скорость пара в межтрубном пространстве:

Для вычисления коэффициента теплоотдачи от пара к трубке находим критерий Рейнольдса для пара:

где - эквивалентный диаметр, м, рассчитываем

где - смоченный периметр, м.

Критерий Рейнольдса соответствует установившемуся турбулентному движению пара, поэтому критерий Нуссельта будет определен по формуле:

где - число Прандтля для пара.

Из критериального уравнения Нуссельта определяем коэффициент теплоотдачи от пара к стенке трубки:

где - коэффициент теплопроводности пара, .

Коэффициент теплопередачи в 1-й зоне:

где - термическое сопротивление накипи.

Считаем, что температурный напор в 1-й зоне не изменится тогда поверхность теплообмена 1-й зоны составит:

Так как температурный напор во 2-й зоне не изменяется, то коэффициент теплопередачи останется прежним , а следовательно, поверхность теплообмена также не изменится .

Суммарная поверхность теплообмена

Общая длина трубок, м, в одном ходу

Принимаем двухходовой подогреватель с внутренним диаметром кожуха , диаметром трубок , длиной трубок , поверхностью теплообмена, площадью проходного сечения в трубном пространстве в межтрубном -

Гидравлический расчет

Расчет мощности, необходимой для перемещения воды через подогреватель

Этот расчет определяет количество энергии, затраченной на движение теплоносителей через аппарат. Гидравлическое сопротивление пароводяных теплообменников по межтрубному пространству, как правило, не определяется, так как его значение вследствие небольших скоростей и малой плотности пара мало.

Полный напор , необходимый для движения жидкости или газа через теплообменний, определяем по следующей формуле, Па:

где - сумма гидравлических потерь на трение, Па; - сумма потерь напора в местных сопротивлениях, Па; - сумма потерь напора, обусловленных ускорением потока, Па; - перепад давления для преодоления гидростатического столба жидкости, Па.

Гидравлические потери на трение в каналах при продольном омывании пучка труб теплообменного аппарата определяются по формуле:

где - коэффициент сопротивления трения; - суммарная длина трубок, м; - эквивалентный диаметр, равный внутреннему диаметру трубок, м; - средняя скорость воды на данном участке, м/с; - плотность воды, кг/м³.

Коэффициент сопротивления трения для чистых трубок можно рассчитать по формуле:

Вычисляем

Гидравлические потери давления в местных сопротивлениях определяем по формуле:

где - коэффициент местного сопротивления, его находят как сумму сопротивлений каждого элемента подогревателя ().

Потери давления, Па, обусловленные ускорением потока вследствие изменения объема теплоносителя при постоянном сечении канала, определяются по формуле:

где и - плотности теплоносителя в выходном и входном сечениях потока соответственно, кг/м³; и - скорости теплоносителя в выходном и входном сечениях потока соответственно, м/с.

Так как для капельных жидкостей потери давления ничтожно малы, то они в расчет не принимаются ().

Перепад давления для преодоления гидростатического столба жидкости равен нулю (), так как данный подогреватель не сообщается с окружающей средой.

Полный напор, необходимый для движения воды через аппарат

Мощность, необходимая для перемещения воды через подогреватель

где - объемный расход воды, м³/с; - коэффициент полезного действия насоса.

Расчет диаметров патрубков

Для определения размеров патрубков для воды (входной и выходной патрубки) вычисляем площадь сечения патрубка

Тогда диаметр патрубка

Для определения диаметра входного патрубка пара задаем скорость пара на входе в патрубок и рассчитываем площадь сечения патрубка

где - массовый расход пара, кг/с; - плотность пара при средней температуре пара, кг/м³.

Тогда диаметр входного патрубка для ввода пара

Скорость конденсата в выходном патрубке принимаем равной . Плотность конденсата находим при температуре насыщения пара по справочной таблице. (

Площадь сечения патрубка

Тогда диаметр патрубка для выхода конденсата

Находим размеры патрубка для откачки воздуха. Принимаем расход воздуха , скорость воздуха

Площадь сечения патрубка

где - плотность воздуха при средней температуре пара.

Диаметр патрубка для откачки воздуха

Механический расчет

При расчете на внутреннее давление толщина стенки корпуса проверяется по формуле

где - давление пара, Н/мм²; - диаметр кожуха, мм; - коэффициент прочности сварного шва; - допускаемое напряжение для стали; - прибавка на коррозию.

Принимаем нормализованную толщину стенки 8 мм.

Трубные решетки изготавливаются из листовой стали. Толщина стальных трубных решеток берется в пределах 15…35 мм. Она выбирается в зависимости от диаметра и шага труб .

Окончательно принимаем .

При расчете фланцевых соединения задаются размером стягивающего болта. Принимаем во фланцевом соединении для аппарата с диаметром стальной болт М16.

Определим допустимую нагрузку на 1 болт при затяжке:

где - внутренний диаметр резьбы болта, мм; - конструктивная прибавка для болтов из углеродистой стали, мм; - допустимое напряжение на растяжение, Н/мм².

Шаг между болтами Принимаем

Определим количество болтов .

принимаем конструктивно так, чтобы удобно было работать ключом на фланцах. Число болтов фланцевого соединения принимаем кратным четырем. Окончательно

Определим нагрузку на все болты фланцевого соединения:

Фланец рассчитываем на изгиб под действием :

Напряжение изгиба во фланце:

где - момент сопротивления.

Допустимое напряжение рекомендуется принимать не менее, чем с двукратным запасом, т.е. для стальных фланцев

Приняв , можем определить минимальную толщину фланца:

Принимаем толщину фланцев

Диаметр штуцера (условный проход ) на входе и выходе теплоносителей определяем по формуле:

где - секундный объемный расход жидкости или пара в штуцере, м³/с; - средняя скорость жидкости или пара в штуцере, м/с.

Величина либо задана, либо определяется через массовый расход и плотность среды.

Так для пара ,

для воды ,

для конденсата

Диаметр штуцера для пара:

Диаметр штуцера для воды:

Диаметр штуцера для конденсата:

По найденным значениям принимаем нормализованные штуцеры ближайшего наружного диаметра:

Для воды 250 мм

Для пара 250 мм

Для конденсата 57 мм.



Заключение

В курсовой работе был произведен расчет кожухотрубчатого теплообменника. 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 теплообменника может быть реализована на практике для подогрева воды системы отопления в цехах производственных помещений с начальной температурой воды 29°С и конечной 87°С при давлении 0,138 МПа. Для этого надо использовать четырехходовой подогреватель с внутренним диаметром кожуха , диаметром трубок , длиной трубок , поверхностью теплообмена, площадью проходного сечения в трубном пространстве в межтрубном -



Список литературы

1. Расчет теплообменных аппаратов [Электронный ресурс] методические указания к курсовому и дипломному проектированию / М-во образования и науки Рос. Федерации, Волгогр. гос. архит.-строит. ун-т ; сост. Н. Ю. Карапузова, В. М. Фокин. - Электронные текстовые и графические данные. - Волгоград : ВолгГАСУ, 2013.- 68 с.

2. Бакластов А.М. Проектирование, монтаж и эксплуатация теплоиспользующих установок. Учеб. пособие для студентов специальности «Промышленная теплоэнергетика» высших учебных заведений. - М.: «Энергия», 1970. - 568 с.

3. Теплообменники энергетических установок: Учебник для вузов/Под общ. ред. Ю.М.Бродова - Екатеринбург: Изд-во «Сократ», 2003. - 968с.

4. Бобылёв В. Н. Физические свойства наиболее известных химических веществ: Справочное пособие /РХТУ им. Д. И. Менделеева. -М., 2003. - 24 с.

Размещено на Allbest.ru

...