Розрахунок кожухотрубного теплообмінника
Розрахунок кожухотрубного
теплообмінника
Завдання
Розрахувати та підібрати кожухотрубний теплообмінник для
Нагрівання розчину HCl з концентрацією 30% від температури 15о С до температури
кипіння. Видаток розчину 25 000
кг/год. Нагрівальний агент - насичена водяна пара, параметри якої вибрати
самостійно.
Вступ
кожухотрубний теплообмінник апарат
Теплообмінник - досить складний пристрій, і існує
безліч його різновидів. Кожухотрубні теплообмінники відносяться до виду рекуперативних.
Ділення теплообмінників на види проводиться залежно від напрямку руху
теплоносія.
Вони бувають:
• прямоточні;
• пртиточні;
• перехресні.
Кожухотрубні теплообмінники отримали таку назву тому, що
тонкі трубки, по яких рухається теплоносій, знаходяться в середині основного
кожуха. Від того, яка кількість трубок знаходиться в середині кожуха, залежить
те, з якою швидкістю буде рухатися речовина. Від швидкості руху речовини
залежатиме, в свою чергу, коефіцієнт теплопередачі.Для виготовлення
кожухотрубних теплообмінників використовуються леговані і високоміцні сталі.
Такі види сталей використовується тому, що дані пристрої, як правило, працюють
у вкрай агресивному середовищі, яке здатне викликати корозію.
Теплообмінники поділяються також на типи. Виробляють такі
типи даних пристроїв:
• з температурним кожуховим компенсатором;
• з нерухомими трубками;
• з U-подібними трубками;
• з плаваючою головкою.
Кожухотрубні агрегати останнім часом користуються
високим попитом, і більшість споживачів віддають перевагу саме даному типу теплообмінника.
Такий вибір не випадковий - кожухотрубні агрегати мають безліч переваг.
Основною, і найвагомішою перевагою є висока
стійкість даного типу агрегатів до гідроударів. Більшість вироблених сьогодні видів
теплообмінників такою якістю не володіють.
Другою перевагою є те, що кожухотрубні агрегати не потребують
чистого
середовища.
Більшість приладів в агресивних середовищах працюють нестабільно. Наприклад,
пластинчасті теплообмінники такою властивістю не володіють, і здатні працювати
виключно в чистих середовищах.Третьою вагомою перевагою кожухотрубних теплообмінників
є їх висока ефективність. За рівнем ефективності їх можна порівняти з
пластинчастими
теплообмінниками, які
за більшістю параметрів є найбільш ефективними.
Таким чином, можна з упевненістю говорити про те, що
кожухотрубні теплообмінники є одними з найнадійніших, довговічних і
високоефективних агрегатів.
1. Опис і обгрунтування конструкції
У промисловості теплообмінні апарати застосовують для нагрівання
„гарячим” теплоносієм „холодного” та охолодження або нагрівання різних речовин
до заданих параметрів. Гарячим теплоносієм прийнято називати робоче тіло, яке
віддає теплоту, а холодним теплоносієм - речовину, що сприймає цю теплоту. В
якості гарячого теплоносія (у відповідності до умови завдання) було обрано
насичену пару низького тиску, а в якості холодного - водний розчин кислоти.
На рис.1 зображено кожухотрубний
теплообмінний апарат, який складається з пучка труб, закріплених в трубних
решітках та обмежених кожухом, кришками тощо. Трубний та міжтрубний простори, в
яких рухаються гарячий та холодний теплоносії, відокремлені один від одного
поверхнею теплообміну, причому кожен із цих просторів може бути розділено
перегородками на декілька ходів. Отже, теплообмінний апарат складається з
кожуху 1, в якому розміщена трубчатка 2, яка в свою чергу складається з двох
трубних решіток 3 та пучка труб 4, які з’єднуються з труб- ними решітками за
допомогою розвальцювання чи зварювання. Для підведення та відведення теплоносіїв
(насичена пара, конденсат, водний розчин) апарат оснащено патрубками чи
штуцерами 5, 6, 7. З торців апарат обмежено кришками 8. З метою підтримання
потрібної швидкості теплоносіїв (для забезпечення високих коефіцієнтів
тепловіддачі) та для зменшення вібрації трубного пучка в теплообмінному апараті
встановлено перегородки 11 і 12, які розділяють трубний та міжтрубний простори
на секції, при цьому забезпечується певна послідовність проходження
теплоносіїв, як у трубному, так і у міжтрубному просторах. Для приєднання
частин трубопроводів, арматури до патрубків вводу-виводу теплоносіїв та для з’єднання окремих вузлів апарата
використовують фланці 9, 10. Крім того, для надійної та безпечної роботи при
з’єднанні вузлів апарата застосовують ущільнювальні прокладки 13. Теплообмінний
апарат на місці експлуатації встановлюють на опори 14.
Ще одним важливим елементом конструкції апарата є
температурні компенсатори (не зображено на рисунку), які призначені для
зменшення додаткових напружень, які виникають в місцях з’єднання частин
апарата, що мають різні температури (особливо важливим є з’єднання труб з
трубною решіткою). Тому,
теплообмінні апарати в яких, різниця температур кожуха та труб буде більшою
50-60 °С [1, 2], потребують наявності температурних компенсаторів, а апарати, в
яких, температурний перепад менше вищезгаданого, мають жорстку конструкцію з
нерухомою трубною решіткою. В подальшому будемо розглядати лише теплообмінники
з нерухомою трубною решіткою. Вони, як правило, використовуються в тих випадках,
коли нема необхідності в механічному очищенні міжтрубного простору. Тому, у
трубний простір завжди подають рідину, яка при нагріванні може виділяти
нерозчинний осад на стінках труб, а в міжтрубний простір подають чисту рідину
або пару.
2. Вибір матеріалів для виготовлення основних вузлів і
деталей розроблювного виробу
Конструкційні матеріали для хімічної промисловості повинні
бути корозійно стійкими в агресивних середовищах, зберігати задовільні
пластичні властивості при високих і низьких температурах, повинні мати високу
механічну міцність, жаростійкість, жароміцність.
Для хімічної апаратури переважно застосовуються конструкційні матеріали,
стійкі в агресивних середовищах. Матеріали зниженої стійкості застосовуються у
виняткових випадках, коли доведена доцільність використання їх замість стійких,
але більш дорогих і дефіцитних матеріалів.
При виборі матеріалів для апаратів, що працюють під тиском при низьких і
високих температурах, необхідно враховувати, що механічні властивості
матеріалів істотно змінюються в залежності від температури. Як правило,
властивості міцності металів і сплавів підвищуються при низьких температурах і
знижуються при високих. Також слід врахувати агресивність середовища в
теплообмінному апараті.
Тому, для деталей апарату, що контактують з агресивним
середовищем (розчин хлоридної кислоти), обираємо сталь 08Х18Н10Т ГОСТ 5635
(сталь корозійно- та жаростійка). Це труби, трубна решітка, розподільча камера,
кришки, штуцери; для всіх інших деталей (обичайка, опори) використовуємо сталь
16ГС (конструкційна низьколегована для зварних конструкцій). Для виготовлення
ущільнюючої прокладки фланцевих з’єднань використовуємо пароніт загального
призначення ПОН ГОСТ 481 - 80.
Параметричний (тепловий) розрахунок
Приймемо для розчину хлоридної кислоти індекс "2",
а для пари (конденсату) - індекс "1". Знайдемо температуру кипіння
30% розчину HCl [3].
Як гріючий агент обираємо насичену водяну пару температурою 130о
С, вона конденсується при тиску 2,755 кгс/ см2 або 0,271 МПа (див. таблиця LVI, [1]). Отже розчин хлоридної кислоти буде нагріватись
від 15о
С до 95,4о С, а насичена водяна пара буде конденсуватися при 130о С.
Температурна схема:
t1п
= 130ºC → t1к
= 130ºС 2к = 95,4ºC ← t2п = 15ºС
де t1п і t1к - початкова та кінцева температура
пари води2п і t2к - початкова та кінцева температура
розчину кислоти.
Більша різниця температур:
∆tб = t1к - t2п. = 130 - 15 = 115°С
Менша різниця температур:
∆tм. = t1п - t2к = 130 - 95,4 = 34,6°С
Середньологарифмічна різниця температур:
Середня
температура розчину хлоридної
кислоти:
t2сер =
= 
=55,2°С
Середня
температура пари води:
t1сер =130°С
Витрата
розчину хлоридної кислоти:
G2=25 000 кг/год=6,944 кг/с
Об’ємна витрата розчину хлоридної кислоти:
V2=G2/r2= 6,944/ 1131 = 0,00614 м3/с.
де r2=1131 кг/м3 -густина розчину хлоридної кислоти при 55,2оС
Витрати теплоти на нагрівання розчину хлоридної кислоти:
Q=1,05×G2×C2×(t2к-t2п)=1,05×6,944×2807×(95,4 - 15) = 1645498 Вт
де C2=2807
Дж/(кг×К) - питома теплоємність розчину хлоридної кислоти при t2сер=55,2ºС
коефіцієнт 1,05 враховує 5% витрат тепла в навколишнє середовище.
Витрати гріючої водяної пари:
де
r =2179×103 Дж/кг - питома теплота конденсації
водяної пари при t1ср=130ºС
Визначаємо орієнтовну площу теплообміну:
де
K = 600
Вт/(м2×К) - орієнтовне значення коефіцієнта теплопередачі.
Приймаємо
орієнтовне число Рейнольдса Re=12000.
Швидкість
в трубах повинна бути:
де ν =
1,138×10-6 м2/с кінематична в’язкість розчину хлоридної кислоти при t2ср = 55,2 ºС;
d2
= 0,021м -
внутрішній діаметр теплообмінної труби.
Орієнтовне число труб 25х2 мм на 1 хід теплообмінника [1]:
.
По
таблиці 4.12 [1] вибираємо теплообмінник (ГОСТ 15118-79, 15120-79,
15122-79) за орієнтовними площею
та кількістю труб: ця умова найкраще
підходить для теплообмінника основні
параметри якого наведені в таблиці 1.1
|
Площа, F м2
|
46
|
|
Зовнішній діаметр
кожуха D, мм
|
600
|
|
Зовнішній діаметр
труб dз, мм
|
25
|
|
Внутрішній діаметр
труб dв, мм
|
20
|
|
Довжина труб l, мм
|
2
|
|
Кількість ходів
|
6
|
|
Кількість труб n
|
196
|
|
Матеріал
|
08Х18Н10Т, 16 ГС
|
Коефіцієнт тепловіддачі для води :
Критерій Рейнольдса для розчину хлоридної кислоти :
Re2=12000×n’/n= 12000×27,3/(196/6) = 10028,6
Розчин хлоридної
кислоти тече по трубах в
турбулентному
режимі режимі.
Дійсна швидкість розчину в трубах:
w2 = 0,650×n’/n = 0,543м/с
Критеріальне рівняння для турбулентного режиму має вигляд:
Критерій
Прандтля для розчину хлоридної
кислоти при 55,2о С [1]:
Pr2=(C2×μ2)/λ2=(2807×1,3×10-3)/0,351=10,4
де
λ2=0,351 Вт/м×К - теплопровідність розчину розчину хлоридної кислоти при температурі 55,2º С.
μ2=1,3×10-3Па×с - динамічна в’язкість розчину розчину хлоридної кислоти при t2ср = 55,2ºС;
Приймаємо
температуру стінки з боку холодного теплоносія tст2=80 ºС, тоді Критерій Прандтля при температурі стінки:
Pr2ст=(C2×μ2)/λ2=(2824×1,26×10-3)/0,327=10,88
де
C2=2824
Дж/(кг×К) - питома теплоємність розчину розчину хлоридної кислоти
при t2сер=100ºС;
μ2=1,26×10-3Па×с - динамічна в’язкість розчину розчину хлоридної кислоти при t2ср = 100ºС;
λ2=0,327 Вт/м×К - теплопровідність розчину розчину хлоридної кислоти при температурі 100ºС.
= 
Критерій
Нусельта:
Nu=0,021×10028,60,8×2,706=90,26
Коефіцієнт тепловіддачі від стінки труби до розчину хлоридної
кислоти :
Коефіцієнт тепловіддачі при конденсації насиченої водяної пари
Припускаємо плівкову конденсацію пари, тоді розрахунок коефіцієнта тепловіддачі конденсату проводимо приблизно за формулою [1]:
де μ=186,4×10-6Па×с - динамічна в’язкість конденсату;
λ=0,684 Вт/м×К - теплопровідність конденсату;
r = 943,1 кг/м3-густина конденсату;
=7
різниця температури між парою та стінкою
H=3 м - висота труб теплообмінника.
Термічний опір стінки та забруднень:
λст=46,5
Вт/(м×К) - теплопровідність матеріалу стінки ;
δст -
товщина стінки труби; δст=0,5×(0,025-0,021)=0,002 м.
Попередній
коефіцієнт теплопередачі [1]:
Тепловий потік:
q=K×
=849,44×59,8=50199,42 
Перевіряємо значення температур стінок, різниця температур між парою і
стінкою:
∆tст1=q/
=50199,42/7120,55=7,05 ºС
Температура стінки з боку пари:
tст1=130-7=123 ºС
Різниця температур між стінками:
∆tст=q×r
=50199,42×0,000388=19,% ºС
Температура стінки з боку розчину:
tст1=123-19,5=103,5 ºС
Розрахована
площа поверхні теплообміну:
Запас поверхні теплообміну 
Запас площі надто великий, тому для економії матеріалів і
енергоресурсів кількість труб можна зменшити. Якщо зменшити кількість труб на
25, то площа поверхні зменшиться на:
∆F=25πdl=25×3,14×0,025×3=5,9
Тоді площа такого теплообмінника:
F=46-5,9=40,1
Кількість труб n=196-25=171
Такий теплообмінник задовольняє
умовам проектування.
Схематичне зображення апарату
Рисунок 1. Схематичне зображення кожухотрубного
теплообмінника.1-кожух; 2-труби; 3-патрубок; 4-перегородка між ходами; 5-трубна решітка.
В трубному просторі знаходиться цільовий продукт (розчин
хлоридної кислоти), а в між трубному нагрівальний агент (насичена водяна пара).
Висновки
В даній
розрахунковій роботі був проведений розрахунок
кожухотрубного вертикального шестиходового теплообмінного апарату. Зовнішній діаметр корпусу 0,600 м, кількість труб 171, площа поверхні теплообміну 40,1 м2, довжина труб 3 м. Матеріал деталей апарату, що
контактують з агресивним середовищем - сталь 08Х22Н6Т, інші деталі - сталь
16ГС. Зварні шви в об’ємі 100% контролюються рентгеном. Було описано та
обґрунтовано конструкції апарату, його основних вузлів та деталей апарату;
проведені розрахунки, які підтверджують працездатність і надійність
конструкції.
Апарат призначений для нагрівання розчину хлоридної кислоти (масова частка 30%) з G = 25000
кг/год від початкової температури tпоч.
= 150С до кінцевої tкін. = 95,40С (температура кипіння) за допомогою водяної пари з температурою t1 = 1300С.
Апарат задовольняє вимогам техніки безпеки та експлуатації
Список використаної літератури
1. Павлов К. Ф., Романков П. Г., Носков А. А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Учебное
пособие для вузов. - Л.: Химия, 1987. - 576 с., ил.
. Касаткин А. Г. Основные процессы и аппараты химической
технологии.- М.: Химия, 1971.-784с.
3. Рабинович В.А., Хавин З.Я. Краткий
химический справочник. Изд. 2-е, испр. и доп. Л.: Химия, 1978. С. 281.
4. Чернобыльский И. И., Бондарь А. Г., Гаевский Б. А. И
др.; под редакцией Чернобыльского И. И. Машины и аппараты химических
производств.- М.: Машиностроение, 1975.-456с
5. Дытнерский Ю.И.Процессы и аппараты химической технологии.
- М.: Химия,1975. - 232 с.