Выбор и расчет теплообменника
Введение
Теплообменник, теплообменный аппарат -
устройство, в котором осуществляется передача теплоты от горячего теплоносителя
к холодному (нагреваемому). Теплоносителями могут быть газы, пары, жидкости. В
зависимости от назначения теплообменные аппараты используют как нагреватели и
как охладители. Применяется в технологических процессах нефтеперерабатывающей,
нефтехимической, химической, газовой и других отраслях промышленности, в
энергетике и коммунальном хозяйстве.
Классификация теплообменников возможна по
различным признакам. По способу передачи тепла различаются теплообменники
смешения, в которых рабочие среды непосредственно соприкасаются или
перемешиваются, и поверхностные теплообменники-рекуператоры, в которых тепло
передаётся через поверхность нагрева - твёрдую (металлическую) стенку,
разделяющую эти среды.
По основному назначению различаются
подогреватели, испарители, холодильники, конденсаторы.
В зависимости от вида рабочих сред различаются
теплообменники:
· жидкостно-жидкостные - при теплообмене между
двумя жидкими средами;
· паро-жидкостные - при теплообмене
между паром и жидкостью (паровые подогреватели, конденсаторы);
· газо-жидкостные - при теплообмене
между газом и жидкостью (холодильники для воздуха).
· газово-газовые - при теплообмене
между газом и газом и др.
По тепловому режиму различаются теплообменники
периодического действия, в которых наблюдается нестационарный тепловой процесс,
и непрерывного действия с установившимся во времени процессом.
Многотрубный кожухотрубчатый теплообменник представляет
собой пучок трубок, помещенных в цилиндрическую камеру (кожух); таким образом,
внутренность камеры является межтрубным пространством. Трубки закреплены в
трубные решетки, ограничивающие камеру со всех сторон. К трубным решеткам
крепятся распределительные коробки с патрубками для впуска рабочей жидкости,
протекающей внутри трубок. Камера снабжена также патрубками для подвода и
отвода второго рабочего тела. Трубки латунные, медные или стальные применяются
диаметром от 10 мм и выше; трубки имеют большие диаметры при вязких или
загрязненных жидкостях. Для помещения в кожухе большей поверхности теплообмена
и получения большего коэффициента теплоотдачи выгоднее применять трубки
меньшего диаметра. Трубные решетки могут быть наглухо приварены или приклёпаны
к корпусу, одна из решеток может быть не соединена с камерой. В этом случае
уплотнение достигается резиновым кольцом, зажимающим щель между корпусом и
решеткой, линзовыми компенсаторами и U-образными трубками. Кожух теплообменника
обычно стальной, цилиндрический. Иногда для обеспечения свободы температурного
расширения кожуха и трубок на кожухе устраивают компенсатор.
Кожухотрубчатые теплообменники достаточно просты
в изготовлении, отличаются возможностью развивать большую поверхность
теплообмена в одном аппарате, надежны в работе. Один из теплоносителей
протекает по трубам, другой по межтрубному пространству. Теплота от одного
теплоносителя другому передается через поверхность стенок труб. Обычно
теплоносители подают в противоток. Такое движение теплоносителей способствует
более эффективному переносу теплоты.
В одноходовом теплообменнике оба теплоносителя,
не изменяя направления, движутся по всему сечению (один по трубному, другой по
межтрубному), в других случаях 2,4,6-ти ходовые теплообменники. Когда скорость
движения теплоносителя невелика и, следовательно, низки коэффициенты
теплоотдачи, целесообразно использовать многоходовые теплообменники по трубному
пространству. В многоходовом по трубному пространству теплообменнике с помощью
поперечных перегородок 2, установленных в крышках теплообменников, трубный
пучок разделен на секции, или ходы, по которым последовательно движется
теплоноситель. При этом число труб в каждой секции обычно примерно одинаковое.
1. Теловой
расчет
Температурная схема
процесса теплообмена: 55-28°С - ацетон; 15-40°С - вода; ∆tб=15°С; ∆tм=13°С
Литературные и табличные данные:
Плотность ацетона р=790 кг\м3.
Плотность воды р=1000 кг\м3.
Вязкость ацетона µ=0,25*10-3Па*с.
Число Pr=0.79.
Теплопроводность ацетона λ=16,3
Вт/(м×К).
Теплопроводность воды λ=0,56
Вт/(м×К).
Теплоемкость ацетона Cp=2160
Дж/(кг*К).
Теплоемкость воды Ср=4178 Дж/(кг*К).
Тепловой баланс:
Q= G1*(C1*t1н-C1*t1k)=
G2*(C2*t2k-C2*t2н).
Из данного выражения можно найти расход обеспечивающей
жидкости:2=8.2*10-3м3/с.
Теплота процесса:=874.8 кВт.
Большее и меньшее изменение температур:
∆tб=15°C; ∆tм=13°C.
Среднее логарифмическое изменение температур:
∆tcp=(∆tб-∆tм)/Ln(∆tб/∆tм).
Тогда:
∆tcp=14.29°C.
Для теплоносителя, имеющего меньшее изменение
температуры в теплообменнике, средняя температура находится как
среднеарифметическая температур входа и выхода:’cp=27.5°C.
Для другого теплоносителя:’’cp=41.79°C.
Находится предварительная величина площади
поверхности теплопередачи:
пр=Q/(∆tcp*Kпр).
Тогда:пр= 306.1м2.
Число труб, приходящихся на один ход:
n/z=(4*G)/(π*dвн*Re*µ).
Тогда:/z=0.05.
По вычисленным данным выбираем приближенно
стандартный теплообменник:=400мм; D=1000мм; d=20мм; z=1.
Вычисляем поправку на сложные схемы тока
теплоносителей:
∆t=P*√2/(1-P)*Ln(2-P(2-√2))/(2-P(2+√2)).
При Р=0,325; R=1:∆t= 0.96.
∆t=0.96*14.29=13.7184°C.
Снова высчитываем значение площади, и выбираем
стандартный теплообменник из литературных данных:=318м2.
Теплообменник:=1200мм; L=600мм; d=25мм; z=4
n=666.
Величина Nu определяется по формуле:
=0.021*Re0.8*Pr0.43.
Тогда:=29.9.
Коэффициенты теплоотдачи трубного и межтрубного
пространства рассчитываются по следующим формулам:
αмтр=C*(r*p2*λ3*g)/(µ*l*∆tкон);
αтр=(Nu*λ)/dвн.
Тогда:
αмтр=
602,35 Вт/(м2*К);
αтр=669,76
Вт/(м2*К).
Коэффициент теплопередачи:
K=1/(1/αтр+Rтр+σст/λст+Rмтр+1/αмтр).
Тогда:=223,9.
Уточненная площадь поверхности составляет:
расч=Q/(K*∆t)=285м2.
Тогда:расч= 285м2.
Запас площади поверхности теплообменника:
(318-285)/285=11,58%.
Следовательно, стандартный теплообменный аппарат
выбран верно.
. Гидравлический расчет
Ориентировочное значение условного прохода
штуцера:
Скорость жидкости в трубах:
тр=G1/(Sтр*p).
Тогда:=0.231м.тр= 0.048 м/с.
Коэффициент трения λтр
зависит как от режима течения потока, так для турбулентного режима движения
жидкости:
λтр=0,11*(10/Re+1.16*∆/d)0.25.
Потеря давления на трение в трубах
теплообменника:
∆pтр=λтр*(L/dвн)*(pwтр)/2.
Скорость жидкости при прохождении штуцеров:
тр.ш.=(G*z)/(π*dтр2*p).
Тогда:
λтр=0.1914;
∆pтр= 0,73 Па;тр.ш.=
0,023 м/с.
Потеря давления:
∆pi=ζi*(p*wi2)/2.
Потеря давления при выходе потока из штуцера в
распределительную камеру теплообменника:
∆p1=0,0003 Па.
Потеря давления при входе потока из
распределительной камеры в трубы теплообменника:
∆p2= 0.0006 Па.
Потеря давления при выходе потока из труб:
∆p3= 0,0017 Па.
Потеря давления при входе потока в штуцер
теплообменника:
∆p4= 0,0001 Па.
Общее сопротивление трубного пространства:
∆p=∆p1+z*(∆p2+∆pтр+∆p3)+∆p4.
Тогда:
∆p=2,93 Па.
Так как ∆pдопустимое>∆p,
то можно считать, что теплообменник для охлаждения паров ацетона водой выбран
верно.
3. Расчет и выбор насоса
В промышленности широко применяются лопастные
(центробежные, осевые, вихревые) и обычные (поршневые, шестеренчатые, винтовые
и др.) насосы. Выбор типоразмера насоса осуществляется по значениям расхода G
перемещающейся жидкости и преодолеваемого напора H:
=∆p/(p*g)+Hz+hп.
Затрачиваемая на перемещение жидкости мощность:
п=G*g*H.
Мощность на валу насоса:
н=Nп/(ηпер*ηн).
Мощность двигателя:
дв=Nн/ηдв.
Мощность двигателя с запасом прочности:
=Nдв*β.
Тогда:=4,2м;п=328 Вт;н=364
Вт;дв= 467.2 Вт;= 934.4.
По рассчитанным данным в литературе выбираем
стандартный насос для обеспечивающей жидкости: ОГ6-15.
4. Механический расчет
Площади сечений трубок и кожуха:
т=π*(d-σт)*σт*n;к=
π*(D+σк)*σк.
Растягивающие и сжимающие усилия:
Pт’=Pк’=(αт*(tт-tк)*E)/(1/sт+1/Sк);т=(α1*tср+α2*θср)/(α1+α2).
Тогда:т=0.14м;к=0.075м;
Pт’=Pк’=2.34 мПа;т=34.2°С.
Давление в аппарате:
т’’=π/4*n*d2*Pт;к’’=π/4*(D2-π*dв2)*Pк.
Тогда:т’’=0.085 МПа;к’’=0.17
МПа.
Напряжения, возникающие в трубках и кожухе
теплообменника:
σт=(Pт’+Pт’’)/Sт;
σк=(Pк’+Pк’’)/Sк.
Тогда:
σт=17.3
мПа;
σк=33.4
мПа.
Так как σрасч<σдоп,
то механический расчет и выбор стандартного теплообменника можно считать
верным.
5. Специальный вопрос
Задание: предложить и обосновать расчетами
мероприятия по снижению гидравлического сопротивления Δр
на 10, (15, 20)%.
Для снижения гидравлического сопротивления в
теплообменнике может быть достаточно сократить количество ходов теплообменника,
если такое возможно. Наиболее подходящий теплообменный аппарат, указанный в
литературе с меньшим числом ходов:=1000мм; L=600мм; n=718; d=25*2; F=338м2.
Но в данном случае запас площади поверхности
нового теплообменника будет составлять:
(338-285)/285=18,5%
И как следствие данный теплообменник нежелателен
для применения.
Также возможно понизить скорость подачи сырья:
∆p= ζ*(p*w2)/2.
Тогда:
∆p= 0,5*(100*6,72)/2=1122,5 Па;
∆p= 0,5*(100*62)/2=900 Па.
Но это скажется на количестве поданного сырья.
Также возможно увеличить сечение труб, что видно
из формулы расчета:
Но это также отобразиться на всем процессе
теплообмена.
Если же величина ∆р значительно превышает
допустимую, то возможно принять два параллельно включенных по данному
теплоносителю теплообменника с тем, чтобы возможно было уменьшить расчетный ∆Р
до величины не выше допустимой.
Вывод
теплообменник расчет гидравлический
механический
В ходе приближённых вычислений площадь
поверхности теплообмена составила F=306,1 м2 при коэффициенте
теплопередачи К=223,9 Вт/(м2*К).
По каталогу был выбран кожухотрубчатый
теплообменник с поверхностью теплообмена F=318 м2.
Запас площади теплообмена для нашего
теплообменника составило 11,58%, что укладывается в допустимые значения.
Из гидравлического расчета следует, что ΔРдоп≥Δp,
а
это означает, что теплообменник выбран верно.
Механический расчет показал, что растягивающие
усилия не превышают допустимых и, как следствие, выбранный теплообменник не
нуждается в дополнительном подборе компенсатора.
Список литературы
1. Машины и аппараты химических
производств: Учебник для вузов / И.И. Поникаров и др. - М.: Машиностроение,
1989. - 368с.
2. Машины и аппараты химических
производств: Примеры и задачи. Учебное пособие для студентов вузов/ И.В.
Доманский и др. Под общей ред. В.Н. Соколова. - Л.: Машиностроение, Ленингр.
отд-ние., 1982. - 364с.
. Основные процессы и
аппараты химической технологии: Пособие по проектированию / Г.С.Борисов и др.
Под ред. Ю.И. Дытнерского, 2-е изд., перераб. и дополн. - М.: Химия, 1991. -
496с.
. Учебное пособие «Курсовое
проектирование по процессам и аппаратам химической технологии. Теплообменные
аппараты и ректификационные установки» Ю. Я. Печенегов, Р. И. Кузьмина.