Кожухотрубний теплообмінник
Пояснювальна
записка
до
курсового проекту з дисципліни:
Виробничі
процеси та обладнання об’єктів автоматизації
на
тему:
Кожухотрубний
теплообмінник
Завдання на курсовий проект
№
|
Назва параметру
|
Позначення
|
Одиниці
|
Варіант
|
1.
|
Продуктивність по рідині (витрати)
|
G1
|
кг/с
|
5,8
|
2.
|
Початкова температура рідини
|
105
|
|
|
3.
|
Кінцева температура органічної рідини
|
30
|
|
|
4.
|
Густина органічної рідини
|
980
|
|
|
5.
|
Коефіцієнт теплопровідності
|
0,669
|
|
|
6.
|
Динамічна в’язкість
|
0,00054
|
|
|
7.
|
Питома теплоємність органічної рідини
|
4194
|
|
|
8.
|
Коефіцієнт об’ємного розширення рідини
|
0,00048
|
|
|
9.
|
Початкова температура охолоджувальної води
|
23
|
|
|
10.
|
Кінцева температура охолоджувальної води
|
41
|
|
|
11.
|
Початкове орієнтовне значення критерій
Рейнольдса для органічної рідини.
|
-15000
|
|
|
12.
|
Теплопровідність нержавіючої сталі
|
17,5
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Зміст
1. Теоретичний
розділ. Загальне описання кожухотрубного теплообмінника
. Тепловий
розрахунок кожухотрубного теплообмінника
3.
Уточнюючий розрахунок кожухотрубного теплообмінника
4. Гідравлічний
розрахунок
Висновок
Література
1. Теоретичний розділ. Загальне
описання кожухотрубного теплообмінника
Кожухотрубні теплообмінники: дуже
поширені в різних сферах промисловості, дають можливість створювати великі
поверхні теплообміну в одному апараті, прості у виготовленні і надійні в
експлуатації.
Через малу швидкість руху
теплоносіїв одноходові теплообмінники працюють з низьким коефіцієнтом
тепловіддачі. Щоб збільшити швидкість руху теплоносіїв, застосовують
багатоходові теплообмінники, в яких пучок труб за допомогою поперечних
перегородок, встановлених у кришках, розділений на кілька секцій, по яких
теплоносій проходить послідовно.
З двох теплоносіїв, що рухаються в
трубах і в між трубному просторі, треба в першу чергу того, в якого при
теплообміні вищій термічний опір.
Труби в трубних решітках розміщують
переважно по периметру правильного шестикутника.
При проектуванні кожухотрубних
теплообмінників теплоносій, що найбільше забруднює поверхню теплообміну,
спрямовують у труби які легше очищати.
Незважаючи на те, що теплообмінні
апарати розрізняють за принципом дії, будовою, типом теплоносіїв і
призначенням, можна сформувати ще й основні вимоги теплового, гідродинамічного,
експлуатаційного і технічного характеру, які треба враховувати при виборі типу,
розрахунку і конструктивній розробці теплообмінної апаратури.
В одноходових кожухотрубних
теплообмінниках досить великої швидкості в трубах, а також, і високого
коефіцієнта тепловіддачі можливо досягти тільки при значних витратах
середовища, що в них рухається. Це пояснюється відносно великим сумарним
поперечним перерізом труб. Тому такі апарати застосовують, коли швидкість
процесу визначається, величиною коефіцієнта тепловіддачі в між трубному
просторі, а також як кип’ятильники.
Теплообмінники ”труба в трубі”
застосовують при незначних кількостях теплоносіїв для теплообміну між двома
рідинами між рідиною та парою, що конденсуються. Ці апарати прості, їх легко
виготовляти, вони дають можливість здійснити чисту протитечію і досягти високих
швидкостей руху для теплоносіїв. Поте при значних теплових навантаженнях вони
громіздкі і матеріаломісткі.
Заглибні теплообмінники
використовують як холодильники, зокрема для теплоносіїв, що спричиняють корозію
апаратури і як конденсатори.
Спіральні та пластичні
теплообмінники використовують у випадку теплообміну між двома рідинами, а також
між рідиною та парою, що конденсуються. Вони компактні, інтенсивність
теплообміну в них висока.
Ребристі теплообмінники призначені
переважно для теплообміну між газом і рідиною або парою.
Різноманітність конструкцій
теплообмінників, а також вимог, які до них ставляться, утруднюють вибір
апаратів для різних конкретних умов перебігу процесу. Звичайно жодна з
конструкцій не відповідає цілком усім вимогам і доводиться обмежуватись виробом
такої, яка задовольняє лише основні вимоги.
Оболонкові теплообмінники (переважно
періодичної дії) застосовують при малих теплових навантаженнях для охолодження
або нагрівання в’язких рідин і середовищ, які активно хімічно впливають на
матеріал поверхні теплообміну.
Теплообмінні апарати усіх типів
повинні працювати в оптимальних теплових режимах, які відповідають поєднанню
заданої продуктивності та інших показників технологічного процесу з мінімальною
витратою тепла.
2. Тепловий розрахунок
кожухотрубного теплообмінника
2.1 Визначення теплового
навантаження:
Q1
= G1·C1(t1п
- t1к),
Вт.
де: Q1
- кількість тепла, яке віддав гарячий теплоносій, Вт;
G1
- продуктивність по рідині (витрати), кг∕с;
C1
- середня питома теплоємність гарячого теплоносія, дж∕кг·град
t1п,
t1к
- температури теплоносія на вході в апараті на виході з нього, ºС.
Q1=
5,8∙4194∙ (105 - 30) = 1,824∙106 Дж∕с (Вт)
.2 Баланс тепла Q1
= Q2
Значення для холодного теплоносія
Питома теплоємність води
Густина води
Теплопровідність води
Динамічна в’язкість
.3 Визначення навантаження
холодного теплоносія
>
2.4 Середня різниця температур
де: t1П,
t1К - початкова
і кінцева температура органічної рідини;
t2П,
t2К -
початкова і кінцева температура холодної води.
∆tП =
105 - 35 = 70˚
∆tК = 30
- 23 =7˚
2.5 Середня логарифмічна різниця
температур в теплообміннику
Де - різниця
температур між теплоносіями на кінцях теплообмінника
2.6 З таблиці 1
вибираємо орієнтоване значення коефіцієнта теплопередачі Кор =800
Вт/м2·К.
2.7 Вираховуємо поправку до
середньої логарифмічної температури
.8 Орієнтовна площа
складатиме:
2.9 Виходячи
з отриманих даних, з таблиці №3 вибираємо 3 значення, які нам підходять, щоб
площа нагріву була наближено до
а) 202
D=1000мм -
діаметр кожуха;
d=25х2мм
- діаметр труб;
z=6 -
число ходів;
n=642 -
число трубок;
L=4м -
довжина труб;
б) 214
D=1000мм -
діаметр кожуха;
d=20х2мм
- діаметр труб;
z=2 -
число ходів;
n=1138
- число трубок;
L=3м -
довжина труб.
в) 226
D=1000мм
- діаметр кожуха;
d=25х2мм
- діаметр труб;
z=2
- число ходів;
n=718-
число трубок;
L=4м
- довжина труб;
. Уточнюючий
розрахунок кожухотрубного теплообмінника
а) Розрахуємо уточнюючий
розрахунок для =202
. Розраховуємо
значення критерію Рейнольдса для органічної речовини для =202.
D=1000мм -
діаметр кожуха;
d=25х2мм
- діаметр труб;
z=6 -
число ходів;
n=642 -
число трубок; L=4м -
довжина труб;
;
де: G1 -
продуктивність по рідині (витрати), кг∕с;
d -
внутрішній діаметр труб, який дорівнює 0,016мм;
n -
число трубок;
z -
число ходів;
μ1 -
динамічна в’язкість, Па∙с.
2. Розраховуємо
значення критерію Прандтля для органічної речовини.
;
де: С1 - середня питома
теплоємність гарячого теплоносія, дж∕кг·град;
μ1
- динамічна в’язкість, Па∙с.
λ1
- коефіцієнт теплопровідності, Вт∕м∙К.
3. Розраховуємо
значення критерію Нуссельта для органічної речовини.
. Визначаємо коефіцієнт
тепловіддачі для органічної рідини.
З таблиці 3
визначимо площу перерізу між трубного перерізу S=0,13м2.
5. Розраховуємо
значення критерії Рейнольца для холодної води.
де: G2 - навантаження
холодного теплоносія,
кг∕с,
dзов -
зовнішній діаметр труб, який дорівнює 0,020мм;
μ2 -
динамічна в’язкість (для холодного теплоносія), Па∙с.
6. Розраховуємо
значення критерії Прандтля для води.
С2 - середня
питома теплоємність холодного теплоносія, дж∕кг·град
7. Визначаємо
коефіцієнт тепловіддачі для води:
Pr2
. З (таб. 2.) вибираємо
забрудненість стінок:
9. Визначаємо сумарний термічний
опір стінок:
10. Коефіцієнт
теплопередачі дорівнює:
11. В наслідок чого
визначаємо потрібну поверхню теплообміну:
12. Звідси маємо, що < .
Тоді, F =
454м2, L = 9м
За табл. 7 визначаємо масу
теплообмінника, т = 11400кг.
б)
Розрахуємо уточнюючий розрахунок для =214
1. Розраховуємо значення
критерію Рейнольца для органічної речовини для =214.
D=1000мм -
діаметр кожуха;
d=20х2мм
- діаметр труб;
z=2 -
число ходів;
n=1138
- число трубок;
L=3м -
довжина труб.
;
де: G1 -
продуктивність по рідині (витрати), кг∕с;
d -
внутрішній діаметр труб, який дорівнює 0,016мм;
n -
число трубок;
z -
число ходів;
μ1 -
динамічна в’язкість, Па∙с.
4. Розраховуємо
значення критерію Прандтля для органічної речовини.
;
де: С1 - середня питома
теплоємність гарячого теплоносія, дж∕кг·град;
μ1
- динамічна в’язкість, Па∙с.
λ1
- коефіцієнт теплопровідності, Вт∕м∙К.
3. Розраховуємо
значення критерію Нуссельта для органічної речовини.
. Визначаємо коефіцієнт
тепловіддачі для органічної рідини.
З таблиці 3
визначимо площу перерізу між трубного перерізу S=0,146м2.
5. Розраховуємо
значення критерії Рейнольца для холодної води.
де: G2 -
навантаження холодного теплоносія, кг∕с,
dзов -
зовнішній діаметр труб, який дорівнює 0,020мм;
μ2 -
динамічна в’язкість (для холодного теплоносія), Па∙с.
6. Розраховуємо
значення критерії Прандтля для води.
С2 - середня
питома теплоємність холодного теплоносія, дж∕кг·град
7. Визначаємо
коефіцієнт тепловіддачі для води.
. З (таб. 2) вибираємо
забрудненість стінок
. Визначаємо сумарний термічний опір
стінок
. Коефіцієнт
теплопередачі дорівнює
11. В наслідок чого
визначаємо потрібна поверхню теплообміну.
. Звідси маємо, що < .
Тоді, F =
643м2, L = 9м
За табл. 7 визначаємо масу теплообмінника,
т= 12800кг.
в)
Розрахуємо уточнюючий розрахунок для =226
1. Розраховуємо значення
критерію Рейнольца для органічної речовини для =226.
D=1000мм -
діаметр кожуха;
d=25х2мм
- діаметр труб;
z=2 -
число ходів;
n=718
- число трубок;
L=4м
- довжина труб;
;
де: G1 -
продуктивність по рідині (витрати), кг∕с;
d -
внутрішній діаметр труб, який дорівнює 0,021мм;
n -
число трубок;
z -
число ходів;
μ1 -
динамічна в’язкість, Па∙с.
2. Розраховуємо
значення критерію Прандтля для органічної речовини.
;
де: С1 - середня питома
теплоємність гарячого теплоносія, дж∕кг·град;
μ1
- динамічна в’язкість, Па∙с.
λ1
- коефіцієнт теплопровідності, Вт∕м∙К.
3. Розраховуємо
значення критерію Нуссельта для органічної речовини.
. Визначаємо коефіцієнт
тепловіддачі для органічної рідини.
З таблиці 3
визначимо площу перерізу між трубного перерізу F=0,13м2.
5. Розраховуємо
значення критерії Рейнольца для холодної води.
де: G2 - навантаження
холодного теплоносія,
кг∕с,
dзов -
зовнішній діаметр труб, який дорівнює 0,025мм;
μ2 -
динамічна в’язкість (для холодного теплоносія), Па∙с.
6. Розраховуємо
значення критерії Прандтля для води.
С2 - середня питома
теплоємність холодного теплоносія, дж∕кг·град
7. Визначаємо
коефіцієнт тепловіддачі для води.
. З (таб. 2)вибираємо
забрудненість стінок
. Визначаємо сумарний термічний опір
стінок
10. Коефіцієнт
теплопередачі дорівнює
11. В наслідок чого
визначаємо реальну поверхню теплообміну.
. Звідси маємо, що >
Тоді, F
= 507 м2, L
= 9м
За табл. 7 визначаємо масу теплообмінника,
т = 11400.
тепловий гідравлічний
теплообмінник теплоносій
4. Гідравлічний розрахунок
а)
Розрахуємо гідравлічний розрахунок для =202
1. Визначимо швидкість
гарячого теплоносія в трубному просторі:
,
Де - витрати
гарячого теплоносія,
- внутрішній діаметр труб,
- густина гарячого теплоносія,
- швидкість гарячого теплоносія,
- число труб
- число ходів
. Коефіцієнт тертя
визначається з формули:
Де -
шороховатість поверхні в трубопроводі,
- коефіцієнт тертя
- внутрішній діаметр труби,
- критерій Рейнольда
. Коефіцієнти місцевих опорів
потоку, що рухається в трубному просторі складають:
- вхідна і вихідна камери
- поворот між ходами
- вхід в труби і вихід із них
. Діаметр патрубка для
трубного простору вибирається з табл. 5:
. Швидкість гарячого
теплоносія в патрубку:
,
. Швидкість холодного теплоносія
в між трубному просторі:
,
де: - густина
холодного теплоносія
- площа перерізу потоку в вирізі
перегородки
- швидкість холодного теплоносія
. Площа перерізу потоку в
вирізі перегородки вибирається з табл. 3:
. Діаметр патрубка для між
трубного простору вибирається з табл. 5:
. Швидкість холодного
теплоносія в патрубку:
,
. Коефіцієнти місцевих опорів
потоку, який рухається в між трубному просторі:
- вхід і вихід рідини
- поворот при проходженні сегментної
перегородки
,
- число рядів труб
- критерій Рейнольда
. За табл. 6 визначаємо
кількість сегментних перегородок:
. Розрахункова формула для
визначення витрати тиску в трубному просторі має вигляд:
. Розрахункова формула для
визначення витрати тиску в міжтрубному просторі має вигляд:
б)
Розрахуємо гідравлічний розрахунок для =214.
1. Визначимо швидкість
гарячого теплоносія в трубному просторі:
,
де: - витрати
гарячого теплоносія,
- внутрішній діаметр труб,
- густина гарячого теплоносія,
- швидкість гарячого теплоносія,
- число труб
- число ходів
2. Коефіцієнт тертя
визначається з формули:
де: -
шороховатість поверхні в трубопроводі,
- коефіцієнт тертя
- внутрішній діаметр труби,
- критерій Рейнольда
. Коефіцієнти місцевих опорів
потоку, що рухається в трубному просторі складають:
- вхідна і вихідна камери
- поворот між ходами
- вхід в труби і вихід із них
. Діаметр патрубка для
трубного простору вибирається з табл. 5:
. Швидкість гарячого
теплоносія в патрубку:
,
. Швидкість холодного
теплоносія в між трубному просторі:
,
де: - густина
холодного теплоносія
- площа перерізу потоку в вирізі
перегородки
- швидкість холодного теплоносія
. Площа перерізу потоку в
вирізі перегородки вибирається з табл. 3:
. Діаметр патрубка для між
трубного простору вибирається з табл. 5:
. Швидкість холодного
теплоносія в патрубку:
,
. Коефіцієнти місцевих опорів
потоку, який рухається в між трубному просторі:
- вхід і вихід рідини
- поворот при проходженні сегментної
перегородки\
,
де: - опір
рядів труб
- число рядів труб
- критерій Рейнольдса
. За табл. 6 визначаємо
кількість сегментних перегородок:
. Розрахункова формула для
визначення витрати тиску в трубному просторі має вигляд:
. Розрахункова формула для
визначення витрати тиску в міжтрубному просторі має вигляд:
в)
Розрахуємо гідравлічний розрахунок для =226.
1. Визначимо швидкість гарячого
теплоносія в трубному просторі:
,
де: - витрати
гарячого теплоносія,
- внутрішній діаметр труб,
- густина гарячого теплоносія,
- швидкість гарячого теплоносія,
- число труб
- число ходів
. Коефіцієнт тертя
визначається з формули:
де: -
шороховатість поверхні в трубопроводі,
- коефіцієнт тертя
- внутрішній діаметр труби,
- критерій Рейнольда
. Коефіцієнти місцевих опорів
потоку, що рухається в трубному просторі складають:
- вхідна і вихідна камери
- поворот між ходами
- вхід в труби і вихід із них
. Діаметр патрубка для
трубного простору вибирається з табл. 5:
. Швидкість гарячого
теплоносія в патрубку:
,
6. Швидкість холодного теплоносія в
міжтрубному просторі:
,
де: - густина
холодного теплоносія
- площа перерізу потоку в вирізі
перегородки
- швидкість холодного теплоносія
. Площа перерізу потоку в
вирізі перегородки вибирається з табл. 3:
. Діаметр патрубка для між
трубного простору вибирається з табл. 5:
. Швидкість холодного
теплоносія в патрубку:
,
. Коефіцієнти місцевих опорів
потоку, який рухається в між трубному просторі:
- вхід і вихід рідини
- поворот при проходженні сегментної
перегородки
,
де: - опір
рядів труб
- число рядів труб
- критерій Рейнольда
. За табл. 6 визначаємо
кількість сегментних перегородок:
. Розрахункова формула для
визначення витрати тиску в трубному просторі має вигляд:
. Розрахункова формула для
визначення витрати тиску в міжтрубному просторі має вигляд:
Проаналізувавши вище
приведені розрахунки, ми вибрали теплообмінник, який найбільш вигідний, тобто,
в якого найменша маса, найменша довжина труб, найменша площа, найменші витрати
тиску в трубному і міжтрубному просторі.
Тобто теплообмінник, який має
такі параметри:
Діаметр кожуха, D=1000мм;
Діаметр труб,d=25×2мм;
Число ходів, n=718;
Загальна кількість труб, Z=2;
Площа теплообмінника, F=507м2;
Довжина труб, L=9м;
Маса теплообмінника, m=11400кг.
Кількість сегментних
перегородок, х=16;
Діаметр патрубка в трубному
просторі, d=300мм;
Діаметр патрубка в
міжтрубному просторі, d=300мм;
Число рядів труб, m=16;
Витрати тиску в трубному
просторі, ∆Ртр=305,045Па;
Витрати тиску в між трубному
просторі, ∆Рмтр=6143Па.
Висновок
Незважаючи на те, що теплообмінні
апарати розрізняють за принципом дії, будовою, типом теплоносіїв і
призначенням, можна сформувати ще й основні вимоги теплового, гідродинамічного,
експлуатаційного і технічного характеру, які треба враховувати при виборі типу,
розрахунку і конструктивній розробці теплообмінної апаратури.
В одноходових кожухотрубних
теплообмінниках досить великої швидкості в трубах, а також, і високого
коефіцієнта тепловіддачі можливо досягти тільки при значних витратах
середовища, що в них рухається. Це пояснюється відносно великим сумарним
поперечним перерізом труб. Тому такі апарати застосовують, коли швидкість
процесу визначається, величиною коефіцієнта тепловіддачі в між трубному
просторі, а також як кип’ятильники.
Теплообмінники ”труба в трубі”
застосовують при незначних кількостях теплоносіїв для теплообміну між двома
рідинами між рідиною та парою, що конденсуються. Ці апарати прості, їх легко
виготовляти, вони дають можливість здійснити чисту протитечію і досягти високих
швидкостей руху для теплоносіїв. Поте при значних теплових навантаженнях вони
громіздкі і матеріаломісткі.
Заглибні теплообмінники
використовують як холодильники, зокрема для теплоносіїв, що спричиняють корозію
апаратури і як конденсатори.
Спіральні та пластичні
теплообмінники використовують у випадку теплообміну між двома рідинами, а також
між рідиною та парою, що конденсуються. Вони компактні, інтенсивність
теплообміну в них висока.
Ребристі теплообмінники призначені
переважно для теплообміну між газом і рідиною або парою.
Різноманітність конструкцій
теплообмінників, а також вимог, які до них ставляться, утруднюють вибір
апаратів для різних конкретних умов перебігу процесу. Звичайно жодна з
конструкцій не відповідає цілком усім вимогам і доводиться обмежуватись виробом
такої, яка задовольняє лише основні вимоги.
Оболонкові теплообмінники (переважно
періодичної дії) застосовують при малих теплових навантаженнях для охолодження
або нагрівання в’язких рідин і середовищ, які активно хімічно впливають на
матеріал поверхні теплообміну.
Теплообмінні апарати усіх типів
повинні працювати в оптимальних теплових режимах, які відповідають поєднанню
заданої продуктивності та інших показників технологічного процесу з мінімальною
витратою тепла.
Література
1. Основные
процессы и аппараты. Химические технологии.
Под
ред. док. тех. наук. Ю.И. Дитнерского М.: химия, 2009г. 273 с.
2. Процессы
и аппараты пищевых производств за редакциею проф. И.Е. Малежика. - К.: НУХТ,
2011.- 400с.