По конструкции и форме поверхности рекуперативные теплообменники разнообразны. В последние годы они получили интенсивное развитие на основе применения новых методов сварки, штамповки и прокатки.

ВВЕДЕНИЕ

По конструкции и форме поверхности рекуперативные теплообменники разнообразны. В последние годы они получили интенсивное развитие на основе применения новых методов сварки, штамповки и прокатки. Наиболее широкое распространение в промышленных установках получили кожухотрубчатые рекуперативные теплообменники. Они могут работать в широком диапазоне температур и давлений и применяются как в качестве индивидуальных аппаратов, так и в виде элементов различных теплообменных установок.

Кожухотрубчатые теплообменникив настоящее время являются самыми распространенными аппаратами в промышленности. Теплопередающая поверхность аппаратов может составлять от нескольких сотен квадратных сантиметров до нескольких тысяч квадратных метров.

В кожухотрубчатых теплообменниках проходное сечение межтрубного пространства в 2-3 раза больше проходного сечения внутри труб. Поэтому при равных расходах теплоносителей с одинаковым фазовым состоянием коэффициенты теплоотдачи на поверхности межтрубного пространства невысоки, что снижает общий коэффициент теплопередачи в аппарате. Устройство перегородок в межтрубном пространстве способствует увеличению скорости теплоносителя и повышению эффективности теплообмена. В настоящее время разработаны образцы кожухотрубчатых теплообменников с продольно-оребренными трубами и с поперечно-накатными низкими ребрами на трубах. Эти конструкции обеспечивают высокую тепловую эффективность аппарата при рабочих средах с различными физическими свойствами.

ЗАДАНИЕ

Рассчитать и подобрать кожухотрубчатый теплообменный аппарат для теплообмена между двумя водно-органическими растворами.

Горячий раствор (этиловый спирт) в количестве т/ч охлаждается от

⁰С до ⁰С.

Холодный раствор (вода) нагревается от ⁰С до ⁰С.

Оба раствора нетоксичны, неагрессивны, невзрывоопасны.

Этиловый спирт при средней температуре ⁰С имеет следующие физико-химические характеристики:

; ; ;

Вода при средней температуре ⁰С имеет следующие физико-химические характеристики:

; ; ;

Данные взяты из /2/

Назначение теплообменного аппарата: охлаждение этилового спирта.

ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ

Определяем температурные условия процесса.

Определим среднюю разность температур между этиловым спиртом и водой.

Выбираем от свойств и температуры теплоносителей, степени рекуперации теплоты и конструктивной схемы теплообменника направление относительного тока обменивающихся теплотой веществ. Противоточное движение наиболее желательно при проектировании теплообменника, так как при прочих равных условиях оно способствует повышению теплопроизводительности Q или уменьшению рабочей поверхности аппарата F.

Большая разность температур

Меньшая разность температур

Средняя логарифмическая разность температур теплоносителей

;

Определение тепловой нагрузки

;

где G₁ – расход горячего теплоносителя, ; с₁ – теплоемкость горячего теплоносителя, ; и – температуры горячего теплоносителя на входе и выходе теплообменного аппарата.

Расход воды определяем из уравнения теплового баланса

;

где G₂ – расход холодного теплоносителя, ; с₂ – теплоемкость холодного теплоносителя, ; и – температуры холодного теплоносителя на входе и выходе теплообменного аппарата.

Ориентировочный выбор теплообменного аппарата.

Целесообразно направить теплоноситель с меньшим расходом в трубное пространство. Это позволит выровнять скорости движения теплоносителей и соответствующие коэффициенты теплоотдачи, увеличивая таким образом коэффициент теплопередачи.

Примем ориентировочное значение Re=10000, что соответствует развитому турбулентному режиму течения в трубах.

Рассчитаем какое количество труб диаметром мм потребуется на один ход в трубном пространстве при турбулентном движение воды.

;

где w – скорость воды, ; – внутренний диаметр трубы, ; – плотность среды, .

;

где n – кинематическая вязкость, ; Re – число Рейнольдса.

;

где m – динамическая вязкость, .

По таблице выбираем кожухотрубный теплообменный аппарат, имеющий следующие параметры:

Диаметр кожуха ;

Диаметр труб ;

Количество труб

Число ходов

Определим: k – коэффициент теплопередачи, ;

;

где a₁ – коэффициент теплоотдачи жидкости, движущейся по трубам, ; a₂ – коэффициент теплоотдачи жидкости, движущейся по межтрубному пространству, ; d – толщина стенки, ; l – коэффициент теплопроводности стали, ; – термическое загрязнение для спирта, , – термическое загрязнение для воды, .

Определим коэффициент теплоотдачи жидкости, движущейся по трубам турбулентно.

;

;

Определим число Re для 62 труб:

Найдем скорость жидкости, движущейся по трубам турбулентно для 62 труб.

Где – коэффициент кинематической вязкости для метилового спирта И – плотность среды, .

Значения Pr_ст Pr_ж определяем по номограмме.

;

Определим коэффициент теплоотдачи жидкости, движущейся в межтрубном пространстве турбулентно.

;

;

Определим Re для межтрубного пространства:

;

Определим эквивалентный диаметр

Найдем скорость жидкости, движущейся в межтрубном пространстве

Найдем – коэффициент кинематической вязкости для воды Где – плотность среды,

Определяем Pr жидкости и стенки по средней температуре второго теплоносителя.

Значения Pr_ст Pr_ж определяем по номограмме.

;

В соответствии с таблицей для загрязненных стенок примем термические сопротивления загрязнений равным

;

;

Уточним температуру стенок:

Найдем t_ст1:

Пересчитаем α₁:

=> Вт/м²К

Найдем t_ст2:

Пересчитаем α₂

=> Вт/м²К

Проведем пересчет: k – коэффициент теплопередачи, ;

;

;

Требуемая поверхность составит:

Где k – коэффициент теплопередачи, ; Dt – температурный напор.

Из табл. справочных данных следует, что из выбранного ряда можно выбрать теплообменник с трубами длиной L=4 и номинальной поверхностью 19,5 . Поэтому необходимо взять 3 кожухотрубных теплообменника.

ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ

Режим движения теплоносителей в трубах турбулентный.

Рассчитаем гидравлическое сопротивление трубного пространства:

Полное гидравлическое сопротивление

Потери давления на преодоление местных сопротивлений

где ξ – коэффициенты местных сопротивлений

Выход из питательной трубы

Вход в питательную трубу

На входе и на выходе в камеру

∑ξ=13,5

Потери давления на преодоление сил трения давления

;

где – коэффициент трения.

;

Затраты давления на создание скорости потока

Полное гидравлическое сопротивление

Необходимая мощность

;

где G – обьемный расход теплоносителя, ; η – КПД насосной установки принимаем равной 0,85 /2/; – полное гидравлическое сопротивление, ; – плотность теплоносителя, .

Рассчитаем гидравлическое сопротивление межтрубного пространства.

Полное гидравлическое сопротивление

Выход из питательной трубы

Вход в питательную трубу

∑ξ=4,5

Потери давления на преодоление местных сопротивлений

Потери давления на преодоление сил трения давления

;

где – коэффициент трения.

Затраты давления на создание скорости потока

;

Полное гидравлическое сопротивление

Необходимая мощность

;

где G – объемный расход теплоносителя, ; η – КПД насосной установки принимаем равной 0,85; – полное гидравлическое сопротивление, ; – плотность теплоносителя, .

ПРОЧНОСТНОЙ РАСЧЕТ

Условия:

длина трубок аппарата L=400

наружный диаметр трубок d=2,5

внутренний диаметр трубок =2,1

диаметр отверстий в решетке =2,58

число трубок в трубной решетке n=68

шаг разбивки отверстий в трубной решетке s=3,2

внутренний диаметр аппарата D=32,5

давление в трубном пространстве 1,028

давление в межтрубном пространстве 7,21

расчетная температура трубок 27,8^оС

расчетная температура кожуха 18^оС

модуль упругости материала

коэффициент температурного расширения

Толщина стенки корпуса теплообменного аппарата

=

где – рабочее или расчетное давление, равное избыточному давлению , возникающему при нормальном протекании рабочего процесса в аппарате, ; D_вн – внутренний диаметр аппарата, см; – номинальное допустимое напряжение; η – коэффициент, учитывающий класс аппарата η=1; φ – коэффициент прочности сварного шва; C-поправка на коррозию и округление толщины до стандартного размера листа

Определяем расчетные давления:

где и – давление в трубном и межтрубном пространствах, ; – расчетное давление для рабочего состояния, ; – пробное давление при гидравлическом испытании, , α – коэффициент перфорации трубной решетки, γ – расчетный температурный коэффициент.

Коэффициент перфорации трубной решетки:

где n – число трубок в трубной решетке; d_в – внутренний диаметр трубки, см; a=D/2 см.

Отношение жесткости трубок к жесткости кожуха:

;

где и – модули упругости материала трубки и кожуха, ;

Площадь поперечного сечения трубок, см

см

Средний диаметр трубки, см

см

Площадь поперечного сечения кожуха,

– толщина стенки кожуха

где и – коэффициенты линейного удлинения трубок и кожуха, ; и – температура кожуха и трубок, ⁰С; К – модуль упругости основания (системы трубок).

;

Толщина трубной решетки

;

где – допускаемое напряжение для трубной решетки из стали марки Ст.3, которое принимаем, считая η=1, равным 1490 кгс/см².

Изгибающий момент, распределенный по контуру решетки, равен:

;

Коэффициенты Ф₁=2,79; Ф₂=1,32; Ф₃=2,75 взяты из таблиц справочных данных в функции безразмерного параметра ω,

;

;

где D_ф – жесткость трубной решетки при изгибе;

;

Ψ_р и Ψ₀ – коэффициенты жесткости трубной решетки и перфорированной решетке;

;

– расчетный коэффициент перфорации, равный:

;

– длина развальцованной части трубки в решетке, принимается в зависимости от диаметра трубки

;

где – коэффициент податливости системы кожух-решетка

;

Жесткость фланцевого соединения

;

R=19,8см (расстояние от центра тяжести сечения фланца до оси аппарата), b=7,2см (ширина полки фланца),

(толщина полки фланца)

Вспомогательная величина θ определяется по формуле

;

Перерезывающая сила, распределенная по контуру трубной решетки,

;

Максимальный расчетный изгибающий момент в трубной решетке:

;

где А=f(m,ω)=0,5; М – характеристика заделки решетки, взяты из таблицы справочных данных

Напряжение на изгиб в трубной решетке должно быть меньше допускаемого:

;

где φ_р – коэффициент прочности решетки

<

Условие прочности выполняется.

Определим толщину крышки аппарата:

, см

Поправка на коррозию и округление толщины до стандартного размера листа С=0,5

Найдем диаметр болтов

- допускаемое напряжение материала болтов (по табл. справочных данных), В Ст3: = 100МПа.

- коэффициент запаса (5 8)

Найдем число болтов

Найдем диаметр окружности расположения болтов

- диаметр прокладки

= (10 20) мм – ширина прокладки

= (2 5) мм – толщина прокладки

СОДЕРЖАНИЕ

1. Введение ___

2. Задание ___

3. Тепловой расчет ___

4. Гидравлический расчет ___

5. Прочностной расчет ___

6. Литература ___

ЛИТЕРАТУРА

1. Основные процессы и аппараты химической технологии. Под ред. Ю.И.Дытнерского. Москва 1983.

2. Теплопередача. В.П.Исаченко, А.С.Сукомел. Москва 1981.

3. Теплоиспользующие установки прмышленных предприятий. П.Д.Лебедев, А.А.Щукин. Москва 1970.

4. Справочник Теплотехник. В.Н.Юрнеев, П.Д.Лебедев. «ЭНЕРГИЯ» Москва 1975.

Федеральное государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования

«СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Политехнический Институт

Кафедра: ТТ и ГГД

Курсовой проект

РАСЧЕТ КОЖУХОТРУБНОГО ТЕПЛООБМЕННИКА

Преподаватель __________ Истягина Е.Б.

подпись, дата

Студент ТЭ 08-05 __________ Худяков И.А.

подпись, дата

Красноярск 2011г.

Дата добавления: 2015-09-29