Тепловой, конструктивный, гидравлический и экономический расчеты теплообменного аппарата

Содержание

Задание

Введение

. Тепловой расчет

.1      Определение тепловой нагрузки аппарата

.2      Определение расхода пара и температуры его насыщения

.3 Расчет температурного режима теплообменника

.4 Выбор теплофизических характеристик теплоносителей

.5 Ориентировочный расчет площади поверхности аппарата. Выбор конструкции аппарата и материалов для его изготовления

.6 Приближенный расчет коэффициентов теплоотдачи и коэффициента теплопередачи

.7 Уточненный расчет коэффициентов теплоотдачи. Окончательный выбор теплообменного аппарата

.8 Обозначение теплообменного аппарата

2. Конструктивный расчет

2.1 Выбор конструкционных материалов для изготовления аппарата

.2 Выбор трубных решеток, способов размещения и крепления в них теплообменных труб и трубных решеток к кожуху

.3 Расчет диаметров штуцеров, выбор фланцев, прокладок и крепежных элементов

.4 Выбор конструктивной схемы поперечных перегородок в межтрубном пространстве теплообменника и расстояния между ними. Отбойники

.5 Выбор распределительных камер, крышек и днищ аппарата

.6 Опоры аппарата

.7 Проверка необходимости установки компенсирующего устройства

3. Гидравлический расчет

4. Экономический расчет

.1 Суммарные расходы на приобретение, монтаж и эксплуатацию теплообменного аппарата

Заключение

Список используемой литературы

Введение

Теплообменные аппараты применяются для осуществления теплообмена между двумя теплоносителями с целью нагревания или охлаждения одного из них. В зависимости от целевого назначения теплообменные аппараты называются подогревателями или холодильниками. В ряде случаев целевое назначение имеют оба процесса. Тогда теплообменные аппараты называют собственно теплообменниками.

Часто в теплообменных аппаратах в процессе теплообмена происходит изменение агрегатного состояния одного из теплоносителя: конденсация горячего или испарение холодного теплоносителя. Аппараты, применяемые при конденсации горячего теплоносителя, почти не отличаются от других теплообменников. Если конденсация горячего теплоносителя является целевым процессом, то эти аппараты называются конденсаторами.

По способу передачи тепла различают следующие типы теплообменных аппаратов:

a)  поверхностные, в которых оба теплоносителя разделены стенкой;

b)      регенеративные, в которых процесс передачи тепла от горячего теплоносителя к холодному разделяется во времени на два периода и происходит при попеременном нагревании и охлаждении насадки теплообменника;)       смесительные, в которых теплообмен происходит при непосредственном соприкосновении теплоносителей.

Среди поверхностных теплообменных аппаратов различают трубчатые, пластинчатые, спиральные, с поверхностью, образованной стенками аппарата, с оребренной поверхностью теплообмена.

Трубчатые теплообменники в свою очередь подразделяются на кожухотрубные, типа "труба в трубе", оросительные, погружные.

Кожухотрубные теплообменники являются одними из самых распространенных, Они состоят из пучка труб, концы которых закреплены в специальных трубных решетках путем развальцовки, сварки, пайки, а иногда на сальниках. Пучок труб располагают внутри общего кожуха, причем один из теплоносителей движется по трубам, а другой - в межтрубном пространстве. Для увеличения скорости движения теплоносителя в трубном пространстве применяют многоходовые теплообменники.

По 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.

Для повышения скорости движения теплоносителя в межтрубном пространстве устраивают продольные и поперечные перегородки.

Продольные перегородки применяют в многоходовых теплообменниках для разделения межтрубного пространства на ходы. Поперечные перегородки используют как в одноходовых, так и в многоходовых теплообменниках.

Достоинства кожухотрубных теплообменников:

компактность

небольшой расход металла

легкость очистки труб изнутри.

Недостатками таких теплообменников являются:

трудность пропускания теплоносителя с большими скоростями

трудность очистки межтрубного пространства

трудность изготовления из материалов, не допускающих развальцовки и сварки.

При эксплуатации теплообменных аппаратов любой конструкции должны выполняться оптимальные гидродинамические условия, обеспечивающие передачу тепла от одного теплоносителя к другому с наименьшими затратами.

1. Тепловой расчет

Целью теплового расчета является определение необходимой площади теплопередающей поверхности, соответствующей при заданных температурах оптимальным гидродинамическим условиям процесса, и выбор стандартизированного теплообменника.

Из основного уравнения теплопередачи

 (1)

где F - площадь теплопередающей поверхности, м²;- тепловая нагрузка аппарата, Вт;- коэффициент теплопередачи, Вт/(м²×К);

Dtср - средний температурный напор, К.

1.1 Определение тепловой нагрузки аппарата

В рассматриваемой задаче нагревание воды осуществляется в вертикальном кожухотрубчатом теплообменнике теплотой конденсирующегося водяного пара, поэтому тепловую нагрузку определим по формуле [2]

,

Где- массовый расход воды, кг/с;

с2 - средняя удельная теплоемкость воды, Дж/кг∙К;к, tн - конечная и начальная температуры воды, K;

c = 1,03 - коэффициент, учитывающий потери теплоты в окружающую среду.

Средняя температура воды

=  =  = 44

Этому значению температуры соответствует

 [1, табл. 39]

r = 990.4 кг/м3 [1, табл. 39].

Тогда

=43∙4180∙(59-29) = 5392 кВт.

с учетом потерь

=Q∙1.03=1589∙1.03=5554 кВт.

1.2 Определение расхода пара и температуры его насыщения

Расход пара определим из уравнения [2, с. 190]

, (2)

где D - расход пара, кг/с;- скрытая теплота конденсации пара, Дж/кг.

По [1, табл. LVII] при рн = 0.23 Мпа= 2198 кДж/кг,

Тн = 124°С.

Из формулы (2) следует, что

=  =  = 2.53 кг/с.

1.3 Расчет температурного режима теплообменника

Цель расчета - определение средней разности температур Dtср и средних температур теплоносителей tср1 и tср2. Для определения среднего температурного напора составим схему движения теплоносителей.

ср1 = Тн = 124 °С,

а средняя температура воды [2, 1.14]

ср2 = tср1 - Dtср = 124-80 = 44°С.

Температура одного из теплоносителей (пара) в аппарате не изменяется, поэтому выбор температурного режима окончателен.

1.4 Выбор теплофизических характеристик теплоносителей

Теплофизические свойства теплоносителей определяем при их средних температурах и заносим в табл. 1.

Таблица 1 - Теплофизические свойства теплоносителей

1.5 Ориентировочный расчет площади поверхности аппарата. Выбор конструкции аппарата и материалов для его изготовления

Ориентировочным расчетом называется расчет площади теплопередающей поверхности по ориентировочному значению коэффициента теплопередачи К, выбираемому из [2, табл. 1.3]. Принимаем К = 1500 Вт/(м²∙К), тогда ориентировочное значение площади аппарата по формуле (1)

=  = 46.3 м².

Так как в аппарате горячим теплоносителем является пар, то для обеспечения высокой интенсивности теплообмена со стороны воды необходимо обеспечить турбулентный режим движения и скорость течения воды в трубках аппарата w2 » 1,0 м/с [2, с. 192].

Для изготовления теплообменника выберем трубы стальные бесшовные диаметром 25 ´ 2 мм.

Необходимое число труб в аппарате n, обеспечивающее такую скорость, определим из уравнения расхода

 (3)

Где

= = 4.34∙ 10-2 м³/с -

объемный расход воды;вн = 0,021 м - внутренний диаметр теплообменных труб;- число труб в аппарате, шт.;= 1,0 м/с - скорость движения воды в трубах аппарата.

Из формулы (3)

=  =  = 125.4

Такому числу труб в одном ходе n=125 шт. и площади поверхности аппарата F = 46.3 м² по ГОСТ 15118-79 и ГОСТ 15122-79 наиболее полно отвечает двухходовой теплообменник диаметром 600 мм, с общим числом труб 240, числом труб на один ход 120 шт., длиной теплообменных труб 3 м и площадью поверхности F = 57 м².

Проверим скорость движения воды в трубах аппарата

Значение скорости находится в рекомендуемых пределах, поэтому выбор конструкции аппарата закончен.

Так как теплоносители (пар и вода) не являются агрессивными, то для изготовления основных узлов и деталей (ГОСТ 15120-79) выбираем материалы по группе материального исполнения М1: кожух - В Ст 3 ст 5 ГОСТ 14637-79; крышки - В Ст 3 ст 5 ГОСТ 14637-79; трубы - сталь 10 ГОСТ 8733-87.

Коэффициент теплопроводности стали -

 [1].

1.6 Приближенный расчет коэффициентов теплоотдачи и коэффициента теплопередачи

Приближенным расчетом называется расчет коэффициентов a и К по формулам, не учитывающим влияние температуры стенки теплопередающей поверхности на интенсивность теплоотдачи.

Коэффициент теплоотдачи при конденсации водяного пара на пучке вертикальных труб рассчитывается по формуле [1, с. 24]

 (4)

где D - массовый расход пара; D=1,115 кг/с,- число труб в аппарате наружным диаметром d; d = 0,025 м; n = 56 шт;

 - вязкость, плотность и теплопроводность конденсата при температуре конденсации.

По формуле (4)

Режим движения воды в трубках аппарата- турбулентный, так как

.

Для расчета процесса теплоотдачи в закрытых каналах при турбулентном режиме движения и умеренных числах Прандтля (Рr < 80) рекомендуется уравнение [2, с. 195]

 (5)

 - критерий Нуссельта;

 - критерий Рейнольдса;

 - критерий Прандтля;

- отношение, учитывающее влияние направления теплового потока (нагревание или охлаждение) на интенсивность теплоотдачи.

Отношение принимаем равным 1, тогда по формуле (5)

Принимаем тепловую проводимость загрязнений со стороны греющего пара [1, табл. ХХХI]

а со стороны воды [1, табл. XXXI];

Тогда

где årст - сумма термических сопротивлений всех слоев, из которых состоит стенка, включая слои загрязнений.

Так как теплообменная трубка тонкостенная (dвн > dн), то для расчета коэффициента теплопередачи применяют формулу для плоской стенки

 (6)

где a1, a2 - коэффициенты теплопередачи со стороны пара и воды, Вт/(м²∙К);

årст - сумма термических сопротивлений.

По формуле (6)

Расчетная площадь поверхности теплообмена по формуле (1)

Так как площадь выбранного аппарата F = 57,0 м2 превышает необходимую Fp = 48,4 м2, то выбранный аппарат с площадью поверхности теплообмена F = 57,0 м2, с длиной труб L = 3 м оставляем для уточненного расчета.

1.8 Обозначение теплообменного аппарата

. Диаметр кожуха D = 600 мм по ГОСТ 9617-76.

. Условное давление в трубах и кожухе - 0,6 МПа.

. Исполнение по материалу - М1.

. Исполнение по температурному пределу - 0 - обыкновенное.

. Диаметр трубы - 25 мм.

. Состояние поставки наружной трубы - Г - гладкая.

. Длина труб - 3,0 м.

. Схема размещения труб - Ш - по вершинам равносторонних треугольников.

. Число ходов - 2.

Группа исполнения - А.

Теплообменник

.

2. Конструктивный расчет

Цель конструктивного расчета теплообменных аппаратов с трубчатой поверхностью теплообмена - расчет диаметров штуцеров и выбор конструкционных материалов для изготовления аппаратов, трубных решеток, способ размещения и крепления в них теплообменных трубок и трубных решеток к кожуху; конструктивной схемы поперечных перегородок и расстояния между ними; распределительных камер, крышек и днищ аппарата; фланцев, прокладок и крепежных элементов; конструкции компенсирующего устройства, воздушников, отбойных щитков, опор и т.п.

.1 Выбор конструкционных материалов для изготовления аппарата

Материал выбирают по рабочим условиям в аппарате: температуре, давлениям, химическим свойствам теплоносителей и др. При выборе материала пользуемся рекомендациями [2,3] и ГОСТ 15199-79, 15120-79, 15121-79, в которых указаны материалы основных деталей в зависимости от группы материального исполнения.

Группа материального исполнения - М1. Материал: кожуха - В Ст сп 5 ГОСТ 14637-79; распределительной камеры и крышки - В Ст 3 сп 5 ГОСТ 14637-79; трубы - сталь 10 ГОСТ 8733-87.

2.2 Выбор трубных решеток, способов размещения и крепления в них теплообменных труб и трубных решеток к кожуху

Трубные решетки изготавливаются обычно цельными, вырезкой из листа. Для надежного крепления трубок в трубной решетке ее толщина Sр(min) должна быть не менее [2, с. 45]

, (8)

где е = 5 - прибавка для стальных трубных решеток, мм;н = 25 мм - наружный диаметр теплообменных трубок.

По (8)

Толщину трубной решетки выбираем в зависимости от диаметра кожуха аппарата и условного давления в аппарате [2, табл. 2.3]:

Рисунок 1. размещение отверстий в решетках