Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Филиал федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Мурманский арктический государственный университет» (филиал МАГУ в г. Апатиты)

Кафедра Физики, биологии и инженерных технологий

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине: «Тепломассообмен»

на тему:

«Расчет и проектирование кожухотрубчатых теплообменных аппаратов»

Выполнила:

Шупрудько Татьяна Валерьевна

Преподаватель:

Бирюков Валерий Валентинович

Апатиты 2022



Аннотация

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

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

Для написания курсовой работы использовались: расчеты произведены в среде Mathcad, чертеж выполнен в Компас, а отчет - в Microsoft Word.



Содержание

Введение

1. Теоретическая часть

1.1 Кожухотрубные теплообменники: особенности и применение

1.1.1 Конструкция, конструктивные особенности и принцип действия

1.1.2 Материальное исполнение кожухотрубчатых теплообменников

1.1.3 Маркировка

1.1.4 Разновидности

1.1.5 Преимущества теплообменных систем

1.1.6 Сферы применения

2. Цели работы

3. Практическая часть

3.1 Формулировка поставленной задачи

3.1.1 Расчёт теплообменного аппарата

3.1.2 Расчёт поверхности теплообменника

3.1.3 Выбор и расчет теплообменника

3.1.4 Гидравлический расчет аппарата

3.1.5 Механические расчёты

4. Чертеж теплообменника

Вывод

Список литературы



Введение

Кожухотрубные теплообменники - это аппараты, предназначенные для передачи тепла между двумя автономными потоками - горячим и холодным. Процесс теплообмена заключается в движении жидкостей в разных полостях, причём преимущественно выбирается противоточная схема движения жидкости. Во время движения жидкости горячая среда предает тепло холодной через стенки теплообменных труб.

С годами кожухотрубные теплообменники стали наиболее широко применяемым типом аппаратов. Это обусловлено прежде всего надежностью конструкции, большим набором вариантов исполнения для различных условий эксплуатации. кожухотрубчатый теплообменник чертеж

Также теплообменники бывают, в частности, 5 типов:

· Со встроенными трубчатыми решетками. Конструктивно предусмотрена жесткая сцепка всех составляющих частей. Эти аппараты используются преимущественно в нефте- и химической промышленности. На их долю приходится три четверти рыночного предложения. Для данного вида характерны приваренные к внутренней стороне корпуса решетки труб и прочно скрепленные с ними трубки. Такая фиксация не дает составляющим компонентам сдвигаться внутри корпуса.

· С температурным компенсатором. Кожухотрубный теплообменник путем продольного сжатия или с помощью особых упругих вставок в расширителях возмещает удлинение от тепла. Устройство является полужестким.

· С плавающей головкой. Таким термином называется подвижная решетка, перемещаемая по системе совместно с крышкой. Агрегат стоит дороже, но он усовершенствован и надежен.

· С изогнутой формой (U-образной). В конструкции два конца приварены к одной решетке с поворотом на 180 градусов и радиусом от 4 диаметров трубы, благодаря чему кожухотрубные теплообменники имеют свободно удлиняющиеся трубы.

· С комбинированным наполнением. Оборудованы компенсатором и встроенной плавающей головкой.

Исходя из направления передвижения, агрегаты делятся на виды: Одноточные, противоточные, перекресточные.

Аппараты бывают одноходовые и многоходовые. В первом варианте наполнитель перемещается по короткой траектории, пример - водонагреватель ВВП, применяемый в отопительных системах. Он подходит для зон, где не принципиальна величина теплообмена (разница температур окружающей среды и теплоносителя минимальна). Второй вид оснащен поперечными или продольными перегородками, обеспечивающими перенаправление потоков носителя. Многоходовые устройства используются в местах, где важна высокая скорость теплообмена.



1. Теоретическая часть

1.1 Кожухотрубные теплообменники: особенности и применение

Кожухотрубные, или кожухотрубчатые, теплообменники предназначены для обмена тепловой энергией между двумя взаимодействующими друг с другом потоками. Они относятся к широко распространенному виду среди многих представленных на сегодняшний день аналогичных устройств. Появилось данное оборудование в начале XX века. Его введение в эксплуатацию связано с необходимостью установки в теплостанциях высокопроизводительных аппаратов, которые осуществляли бы теплообмен, выдерживая при этом высокое давление в системе.

В настоящее время кожухотрубные теплообменники активно используют не только в различных промышленных сферах (химическая, нефтяная), но и в повседневных бытовых условиях, например, в отраслях ЖКХ.

1.1.1 Конструкция, конструктивные особенности и принцип действия

Стандартная конструкция кожухотрубного теплообменника состоит из:

· трубного металлического пучка;

· кожуха;

· коллектора;

· входных и выходных патрубков с фланцами;

· перегородок;

· уплотнительных элементов;

· трубных пластин.

Теплообменник - аппарат, имеющий много модификацией, позволяющих выбрать подходящий под заданные условия производства тип. В зависимости от способа крепления трубных пучков к решетке или доске разделяют:

· закрепленные при помощи развальцовки (самый распространенный и удобный для эксплуатации способ);

· приварные (используют, когда теплоноситель подается под высоким давлением);

· с сальниковым устройством (наиболее дорогой и сложный способ крепления, позволяющий устранить температурные деформации, и упрощает процесс разбора и чистки);

· с фланцевым соединением;

· запаянные.

В зависимости от расположения труб изготавливают горизонтально ориентированные и вертикальные теплообменники. Вертикальные более просты в эксплуатации, занимают меньшее пространство.

По способу организации процесса кожухотрубные теплообменники бывают непрерывного и периодического действия.

Кожухотрубный теплообменник представляет собой корпус (кожух) цилиндрической формы, внутри которого находится пучок труб, зафиксированных на трубных перемычках (решетках). Снаружи камера оснащена входными и выходными отверстиями, а также отводным каналом (для дренажа жидкости из межтрубного пространства).

Принцип работы данного оборудования основан на передаче тепловой энергии от одной среды к другой по стенкам трубного пучка. Один теплоноситель циркулирует внутри труб, а другой - поступает и находится под давлением в межтрубном отсеке. При этом они могут быть абсолютно разного агрегатного состояния: жидкость, газ или пар. Коэффициент теплообмена между ними зависит от скорости циркуляции веществ по устройству. В свою же очередь на скорость движения потоков влияет количество трубок, расположенных внутри цилиндрической емкости.

1.1.2 Материальное исполнение кожухотрубчатых теплообменников

Металлические материалы для изготовления теплообменников выбираются в зависимости от требований по устойчивости к агрессивным средам, температурным режимам и давлением теплоносителей. Аппараты изготавливают из материалов групп М3 - М24.

Чаще всего для изготовления кожуха применяется толстолистовая стать с толщиной более 4 мм, решетки изготавливают из того же металла, но толщиной уже значительно большой - от 20 мм. Материальное исполнение трубного пучка - металл, имеющий высокую теплопроводность.

1.1.3 Маркировка

Теплообменные агрегаты имеют свою специфическую маркировку, при расшифровке которой можно получить основную информацию для идентификации типа аппарата. Маркировка кожухотрубчатого агрегата включает в себя 3 буквы и числа, с обязательным указанием технических условий, согласно которым он изготовлен.

Пример маркировки: Теплообменник с компенсатором 219 ТКГ-1,9-М11/32-5-2 ТУ 3612-024-00220302-02, где:

Первая буква обозначает тип устройства теплообмена:

· универсальные - Т;

· конденсаторы - К;

· испарители - И;

· холодильники - Х.

Вторая буква говорит о конструктивной особенности аппарата:

· Н - с неподвижными трубными решетками;

· К -с температурным компенсатором;

· П - с плавающей головкой;

· У - с трубами U-образной формы.

Последняя буква свидетельствует о пространственном положении теплообменника:

· В - вертикальный;

· Г - горизонтальный.

Числовые обозначения рассказывают о: 219 - диаметре кожуха в мм, 1,9 - условном давлении в МПа, М11 - материальном исполнении, 32 - диаметре теплообменных труб в мм, 5 - длине труб в м, 2 - двухходовой по трубному пространству.

Обозначение теплообменных аппаратов и элементов их корпусов на чертежах и принципиальных схемах производят согласно ГОСТ 2.788-74.

1.1.4 Разновидности

Современные теплообменные устройства встречаются нескольких видов и размеров. Их диаметр может быть в диапазоне 160-3000 мм. В длину устройство может достигать до 10000 мм.

В зависимости от конструктивных особенностей теплообменные устройства бывают оснащены:

· Встроенными решетками с неподвижными трубками (изготовлены в виде трубы);

· Температурным компенсатором;

· Плавающей головкой;

· U-образными трубками.

Среди вариантов оборудования для теплообмена встречаются также элементные, двухтрубные (устроены по принципу «труба в трубе») и комбинированные системы (оснащенные компенсатором и встроенной плавающей головкой).



1.2 Преимущества теплообменных систем

Несмотря на высокие габариты и большую площадь для монтажа устройства, основными преимуществами кожухотрубного теплообменника являются:

· Практичность и долговечность, что обусловлено износостойкостью механизмов;

· Широкий диапазон рабочих температурных режимов;

· Стойкость оборудования к гидравлическим ударам, чего нет у других систем;

· Безопасность и удобство при эксплуатации. Благодаря простой конструкции, систему теплообмена легко чистить. Конструкция позволяет без труда выполнять ремонт или плановое сервисное обслуживание;

· Возможность работать даже в самых экстремальных условиях эксплуатации;

· Способность работать даже с агрессивной средой.

1.3 Сферы применения

Область применения кожухотрубчатых теплообменников обширна. Они играют большую роль в нефтехимической, химической и газовой промышленностях. Зачастую теплоносители имеют высокие показатели передачи температуры, поэтому теплообменники используют в сфере теплоэнергетики.

Аппараты используются в составе инженерных сетей ЖКХ, теплопунктах для обогрева домов и обеспечения горячей водой. Также кожухотрубчатые аппараты теплообмена нашли применение в пищевой отрасли.



2. Цели работы.

Нужно произвести полный поверочный расчёт теплообменника в соответствии с номером задания из пособия. При расчётах полностью использовалось приложенное пособие.

Полная поставленная задача для курсового проектирования, это:

1. Тепловой расчёт аппарата в программном комплексе MATHCAD.

2. Тепловой расчет аппарата в программном комплексе MATHCAD.

3. Гидравлический расчет аппарата в программном комплексе MATHCAD.

4. Чертеж теплообменника в программном комплексе KOMPAS.



3. Практическая часть.

3.1 Формулировка поставленной задачи

Задание Т09 k7 z1

1. Техническая задача.

Рассчитать и спроектировать кожухотрубчатый теплообменник для конденсации паров вещества S при атмосферном давлении оборотной водой. Начальное значение температуры оборотной воды составляет t₁. В теплообменнике вода нагревается на Дt.

2. Данные для расчетов

Расход потока, т/ч: G = 60 + 0,3 k z.

Начальное значение температуры воды t₁ и изменение температуры воды Дt для варианта k.

k	1	2	3	4	5	6	7	8	9	0
t1, 0С	21	23	25	27	20	22	24	26	28	30
Дt, 0С	6	7	8	11	10	9	8	7	6	5

Вещество S под номером 1 - Дихлорэтан.

Для расчётов будет использоваться 1,2-Дихлорэтаном.

Дальнейшие расчеты производились в программе MATHCAD.

Начнем с дано и с самой задачи.

3.1.1 Расчёт теплообменника

Для расчета необходимой поверхности теплообмена между относительно «горячим» и «холодным» теплоносителями или длительности периодических процессов предварительно необходимо найти значения:

- начальные и конечные температуры теплоносителей t1 и t2;

- средние температуры теплоносителей: Дta, Дtb и Дtср;

- средний температурный напор tсрв;

- массовые расходы дихлорэтана и воды (нагреваемой жидкости) Gг и Gв;

- тепловой поток от горячего теплоносителя к холодному, тепловая нагрузка Nг.

Не забываем про значения, которые будут использоваться в дальнейших расчётах, например, таких как: диаметры внешней dвнеш и внутренний трубы dвн, теплоёмкость воды св, потери приравняли к нулю, т.к. они незначительные и ими можно пренебречь, теплота конденсации дихлорэтана kг, теплопроводность воды лв и дихлорэтана лдэ, условная толщина пограничного слоя для воды и газа дв, дг, сопротивление на стенке rв, rг, rст, динамическая средняя вязкость воды в трубе мтр.



3.1.2 Расчёт поверхности теплообменника

После того как мы нашли все нужные значения, далее производим расчёты для поверхности теплообменника. Для начала делаем приблизительные расчёты коэффициента теплоотдачи Kэ. В уравнении ниже, будет использоваться б - коим является коэффициент теплоотдачи, который приблизительно равен:

Рассчитываем этот коэффициент для воды и дихлорэтана. И далее находим нужный нам коэффициент теплоотдачи. После чего перейдем к расчётам оценочной площади теплообменника.

Необходимую площадь поверхности, м², теплообменника вычисляют по основному уравнению теплообмена, к этому также находим предельную площадь, которую будем использовать в дальнейших расчётах теплообменного аппарата.

3.1.3 Выбор и расчет теплообменного аппарата

по ГОСТ 15122-79

Обозначение в числителе: 1000 - диаметр кожуха, мм; КНВ - конденсатор с неподвижными трубными решетками вертикальный; исполнение II - с распределительными камерами, имеющими съемные крышки; 1 - условное давление, МПа; М10 - материал кожуха и трубок по ГОСТ 15122-79.

Обозначения в знаменателе: 20 - наружный диаметр теплообменных труб в мм; Г - гладкие трубки; 6 - длина труб, м; 2 - число ходов по трубному пространству.

Для дальнейших расчетов и обеспечения интенсивного теплообмена, а также уменьшения скорости образования отложений, режим движения жидких или газообразных теплоносителей должен быть турбулентным, т.е. должны выполняться условия:



Мы сделали поверочный расчет, вывод - с высокой точностью условие поверочного равенства выполняется, оно очень близко к нулю.

Теперь нужно произвести уточняющий расчет теплового потока и температуры стенок, для этого найдем нужные нам коэффициенты.

Далее производим расчёты отталкиваясь от полученных значений, проделываем ту же схему с расчётами что и выше. Рассчитываем Прандтль, только уже уточненный, чтобы сверить с расчетами, так и с остальными значениями. Они имеют обозначение [ут].

Так как значения особо не отличаются, с уточнением, условие равенства выполняется с достаточно высокой точностью, из этого можно сделать вывод, что близайшее значение площади теплообмена достигается у аппарата с диаметром кожуха 1 метр и площадью поверности теплообмена 353 м² и числом труб 377 на один ход двуходового аппарата, в этом случаем ремонтный коэффициент равено 1.372.

3.1.4 Гидравлический расчёт теплообменника

Задачей гидравлических расчетов является расчет фактических скоростей движения теплоносителей в теплообменнике и его гидравлического сопротивления.

Увеличение скорости движения теплоносителей в трубопроводах позволяет уменьшить диаметр трубы, но это вызывает увеличение гидравлического сопротивления и расхода механической энергии на транспортировку.

В процессе конденсации или испарения (кипения) происходит многократное изменение плотности теплоносителя и его объемного расхода. Поэтому для таких теплоносителей при гидравлическом расчете вычисляют фактические значения скорости в парообразном и в жидком состояниях во входном и выходном штуцерах, а также внутри теплообменника на входе и на выходе. Гидравлическое сопротивление не рассчитывают.



3.1.5 Механические расчеты

Задачей механических расчетов является обеспечение прочности аппарата в рабочих условиях. Механические расчеты выполняют по стандартам, нормам и утвержденным руководящим материалам.

Основным техническим параметром кожухотрубчатых теплообменных аппаратов является толщина стенок корпуса и крышки. На этом этапе подбирают также конструктивные параметры опор.

Так как дихлорэтан относится к опасным веществам и является токсичным, а также горячим, рекомендуют брать для него 1 МПа.

По ГОСТ 15121-79 выбираем Сталь нержавеющую 12Х18Н10Т.

А для нее у = 160*10⁶ Па по таблице 8 из прилагаемого пособия.



Размеры для расчета были взяты из пособия, использовались таблицы 10, 16, 20.



4. Чертеж теплообменника

Чертеж выполнялся в программе KOMPAS. Конденсаторы многоходовые по ГОСТ 15121-79.



Вывод

В результате технологического расчета был выбран двухходовой кожухотрубчатый вертикальный конденсатор с неподвижными трубными решетками со следующими характеристиками:

Поверхность теплопередачи F=175м²;

Диаметр кожуха D=1000мм;

Общее число труб nобщ=754;

Длина труб lt=6м;

Число ходов z = 2;

Тепловой нагрузкой QУ=26.472 кН;

Коэффициентом теплопередачи Кэ=619.44 Вт(м²*К);

Гидравлическое сопротивление трубного пространства ДР=2.37*10⁵ Па.



Список литературы.

1. МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ФГОУ ВПО «Чувашский государственный университет им. И.Н. Ульянова»// Н.И. Савельев, П.М, Лукин// РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ КОЖУХОТРУБЧАТЫХ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ// Учебное пособие// Чебоксары 2010

2. https://st-u.ru/blog/kozhuhotrubnye-teploobmenniki.html

3. ГОСТ 15121-79. Конденсаторы кожухотрубчатые с неподвижными трубными решетками и кожухотрубчатые с температурным компенсатором на кожухе. Основные параметры и размеры. - М.: Изд-во стандартов, 1979.

4. ГОСТ 15122-79. Теплообменники кожухотрубчатые с неподвижными трубными решетками и кожухотрубчатые с температурным компенсатором на кожухе. Основные параметры и размеры. - М.: Изд-во стандартов, 1979

Размещено на Allbest.ru

...