Расчет теплообменника
введение
Теплообменниками называются аппараты, в которых происходит теплообмен
между рабочими средами не зависимо от их технологического или энергетического
назначения (подогреватели, выпарные аппараты, концентраторы, пастеризаторы,
испарители, деаэраторы, экономайзеры и др.).
Технологическое назначение теплообменников многообразно. Обычно
различаются собственно теплообменники, в которых передача тепла является
основным процессом, и реакторы, в которых тепловой процесс играет
вспомогательную роль. 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 передается через
поверхность нагрева - твердую (металлическую) стенку, разделяющую эти среды.
Теплообменники широко используются в химической промышленности, где они
применяются в следующих процессах:
· нагревания и охлаждения веществ в различных агрегатных
состояниях;
· испарения жидкостей и конденсации паров;
· перегонки и сублимации;
· абсорбции и адсорбции;
· расплавления твердых тел и кристаллизации;
· отвода и подвода тепла при проведении определенных реакций.
Существует три принципиальных способа передачи тепла от одного
теплоносителя к другому:
Теплопередача - заключается в переносе тепловой энергии при
соприкосновении колеблющихся микрочастиц.
Излучение - это перенос энергии в виде электромагнитных волн, которые
излучают тела.
Конвекция - осуществляется за счет перемещения и перемешивания частиц
жидкости или газа.
В различных частях теплообменных аппаратов процесс теплообмена происходит
по-разному и может сочетать все или несколько приведенных видов теплопередачи.
Поэтому при расчете процесс теплопередачи рассматривают как единый.
Цели курсового проекта:
· выполнение теплового, гидравлического, механического
расчетов;
· расчет тепловой изоляции;
· расчет и выбор вспомогательного оборудования;
· определение зависимости Q = f (n), где n - число дефектных
трубок, выводимых из работы путем установки пробок на сторонах входа и выхода
теплоносителя; величина n изменяется от 1 до значения, соответствующего 20%
величины площади поверхности теплопередачи F.
1. Технологическая схема установки
Из аппарата А1 бензол при температуре 70⁰C подаётся центробежным насосом Н1 в
трубное пространство теплообменного аппарата Т. Вода при температуре 20⁰C из водопровода оборотной воды
подающей В4 с помощью центробежного насоса Н2 противотоком подаётся в
межтрубное пространство теплообменника. После охлаждения бензола до 30⁰C последний направляется из
теплообменного аппарата в аппарат А2, откуда далее поток поступает в
трубопровод К. На выходе из теплообменника вода имеет температуру 30⁰C. Она поступает в градирню по
трубопроводу В4 для охлаждения до 20⁰C и возврата на линию подачи в трубное пространство
теплообменника. После насосов Н1 и Н2 ведется контроль давления в трубопроводах
и температуры жидких сред.
2. Тепловой расчет
Зададим для обеспечивающего теплоносителя (вода) начальную и конечную
температуры. Примем температуру воды на входе в теплообменный аппарат t2,н = 20◦C, а конечную температуру на выходе из
аппарата t2,к = 30◦C. Представим
схематично большую и малую разницы температур между горячим и холодным
теплоносителями на концах теплообменника (рис. 2.1).
Рис. 2.1 Схема движения теплоносителей
Определим наибольшую Dtб и
наименьшую Dtм разность температур теплоносителей у
концов теплообменного аппарата. Так как целевой теплоноситель (бензол)
охлаждается от начальной температуры t1,н = 70◦C
до конечной температуры t1,к
= 30◦C, а
обеспечивающий теплоноситель (вода) нагревается от 20◦C до 30◦C, то:
Dtб = 70 −
30 = 40◦C;
Dtм = 30 −
20 = 10◦C.
Вода имеет меньшее изменение температуры в теплообменном аппарате, чем
бензол, поэтому среднюю температуру воды t2 определим, как среднеарифметическое температур входа в
аппарат и выхода из него:
2 = 0,5×(t2,н + t2,к); (2.1)
2 = 0, 5·(30 + 20) = 25◦C.
Вычислим значение средней разности температур Dtср.л для противотока. Для
этого определим отношение Dtб к Dtм:
Так как , то Dtср.л
вычислим по формуле для среднелогарифми- ческой разности температур:
(2.2)
Определим среднюю температуру t1 целевого теплоносителя - бензола:
1 = t2 +
Dtср.л; (2.3)
1 = 25 + 22 = 47◦C.
При средней температуре воды 25⁰C ее теплоемкость c2 (по данным [2, табл.
XXXIX, с. 537]) составляет 4185 Дж/(кг×K). При средней температуре бензола 47⁰C его теплоемкость c1 (по
данным [3, табл. П. 8.1.]) составляет 1860 Дж/(кг×K).
Определим значение тепловой нагрузки Q, т.е. количество тепла, отдаваемое
бензолом. Так как теплообмен идет без изменения агрегатного состояния
теплоносителей, то:
= G1 · c1 · (t1,н − t1,к),(2.4)
где G1 - массовый
расход бензола, кг/с;
G1 = 24 · 103 кг/ч = 6, 67
кг/с;
Q =
6,67·1860·(70−30) = 496301 Вт.
Расход обеспечивающего теплоносителя G2 вычислим из уравнения теплового баланса, составленного без
учета потерь тепла в окружающую среду:
1 · c1 ·
(t1,н − t1,к) = G2 · c2 · (t2,к − t2,н); (2.5)
Имеем:
(2.6)
Для вынужденного движения теплоносителей по данным [4, табл. 2.1 на с.
47] примем ориентировочное значение коэффициента теплопередачи Kпр = 410 Вт/ (м2·K). При этом
ориентировочное значение площади поверхности теплопередачи в теплообменнике:
Для обеспечения эффективного теплообмена целесообразно выбирать
теплообменные аппараты с развитым турбулентным течением теплоносителей (Re >
10000). Бензол является более коррозионной средой, чем вода, имеет большую
температуру, а также взрывоопасен, поэтому следуя рекомендациям [5] направим
бензол в трубное пространство теплообменника, а воду - в межтрубное. Примем
число Re = 10000 и вычислим число труб n, приходящихся на один ход Z:
где dвн - внутренний диаметр труб, м; µ1 - динамический коэффициент
вязкости бензола при 47◦C, Па · с [2, табл. IX на с. 516].
Для труб диаметром 20 × 2 мм имеем:
Для труб диаметром 25 × 2 мм имеем:
Из табл. 2.3 [4, с. 51] с параметрами стандартных кожухотрубчатых
теплообменников следует, что полученным величинам Fпр и n/Z удовлетворяет
теплообменник конструктивными характеристиками, приведенными в табл. 1:
Таблица 1 Конструктивные характеристики теплообменника
№
|
Параметр
|
Значение
|
1.
|
Диаметр кожуха
D, мм
|
800
|
2.
|
Диаметр труб d,
мм
|
25
× 2
|
3.
|
4
|
4.
|
Общее число труб n,
шт
|
404
|
5.
|
Поверхность
теплообмена F, м2
|
63
|
6.
|
Длина труб L, м
|
2,0
|
7.
|
Площадь сечения одного хода
по трубам S тр, м2
|
0,03
|
8.
|
Площадь сечения потока
между перегородками S мтр, м2
|
0,07
|
В ссылке к табл. 2.3 [4, с. 51] указано, что холодильники с диаметром
кожуха 325 мм и более могут быть только с числом ходов Z по трубам 2, 4
или 6. В многоходовых теплообменниках средняя движущая сила несколько меньше,
чем в одноходовых, из-за того, что возникает смешанное взаимное направление
движения теплоносителей. Так как для выбранного теплооменного аппарата Z >
1 (многоходовой теплообменник), то необходимо уточнить величину средней
разности температур Dtср.
где εDt - поправка на сложные схемы тока
теплоносителей.
Для вычисления поправки εDt найдем следующие параметры:
Так как , то:
где
Имеем:
Уточним среднюю температуру бензола:
Уточним площадь поверхности теплопередачи:
Площадь поверхности теплопередачи изменилась. Поэтому подберем другой
стандартный теплообменный аппарат, конструктивные характеристики приведены в
табл. 2:
Таблица 2Конструктивные характеристики теплообменника
№ПараметрЗначение
|
|
|
1.
|
Диаметр кожуха
D, мм
|
600
|
2.
|
Диаметр труб d,
мм
|
25
× 2
|
3.
|
Число ходов Z
|
2
|
4.
|
Общее число труб n,
шт
|
240
|
5.
|
Поверхность
теплообмена F, м2
|
75
|
6.
|
Длина труб L, м
|
4,0
|
7.
|
Площадь сечения одного хода
по трубам S тр, м2
|
0,042
|
8.
|
Площадь сечения потока
между перегородками S мтр, м2
|
0,045
|
Необходимо отметить, что физические свойства, характеризующие процессы
переноса, в интервале давлений от 0,05 до 1,8 МПа слабо зависят от давления.
Это позволяет определять теплоемкость, значение динамического коэффициента
вязкости и другие характеристики для любых значений давлений в названном
интервале по таблицам и номограммам, приведённым в литературе для P = 1·105
Па. Ниже приведены (табл. 3) необходимые для дальнейших расчетов характеристики
теплоносителей по данным [2, табл. XXXIX на с. 537, табл. IV на с. 512, табл.
IX на с. 516, рис. XIII на с. 564, рис. XI на с. 562] и [3, табл. П.3.2.].
Таблица 3Характеристики теплоносителей
Параметр
|
Вода
|
Средняя температура t, ◦C
|
43
|
25
|
Плотность ρ, кг/м3
|
855
|
997
|
Теплопроводность λ, Вт/(м· K)
|
0,1394
|
0,6085
|
Теплоемкость с, Дж/(кг·K)
|
1841
|
4185
|
Динамический коэффициент
вязкости µ, Па·c
|
0, 2365·10−3
|
0, 902·10−3
|
Число Прандтля, Pr
|
6,5
|
6,22
|
Проведем уточненный расчет для выбранного теплообменника.
Целевой теплоноситель - бензол.
Определим критерий Рейнольдса:
Ниже приведены (табл. 4) необходимые для дальнейших расчетов
характеристики теплоносителей по данным [2, табл. XXXIX на с. 537, табл. IV на
с. 512, табл. IX на с. 516] и [3, табл. П.3.2. и П.8.1.] при температуре
пристенного слоя.
Таблица 4Характеристики теплоносителей
Параметр
|
Бензол
|
Вода
|
Средняя температура t, ◦C
|
34
|
34
|
Теплопроводность λ, Вт/(м · K)
|
0,1424
|
0,6211
|
Теплоемкость с, Дж/(кг · K)
|
1812
|
4179
|
Число Прандтля Pr
|
7
|
5
|
Критерий Нуссельта для бензола равен:
Nu1 = 0, 023 · 141010,8 ·
6, 50,4 · (6, 5/7)0,25 = 100.
Коэффициент теплоотдачи для бензола составляет:
Обеспечивающий теплоноситель - вода.
Определим критерий Рейнольдса:
Критерий Нуссельта при движении теплоносителя в межтрубном пространстве
кожухотрубчатых теплообменников с сегментными перегородка- ми при Re ≥ 103 согласно [4, с. 50] находится по уравнению:
Nu2 = 0, 24 · Re0,6 · Pr0,36 · (Pr/Prст)0,25 ; (2.20)
2 = 0, 24 · 73050,6 ·
6, 220,36 · (6, 22/5)0,25 = 102.
Коэффициент теплоотдачи для воды составляет:
На основании данных [4, табл. 2.2 на с. 48] принимаем величину терми-
ческого сопротивления слоя загрязнений стенок со стороны бензола Rз,1
= 0, 00017 м2 ×K/Вт и со стороны воды Rз,2 = 0, 00034 м2 ×K/Вт.
В качестве материала кожуха, труб, трубной решетки, распределительных
камер выбираем высоколегированную сталь аустенитного класса - сталь
10Х17Н13М3Т. Толщину стенки труб δст примем 0,002 м.
Для того, чтобы определить коэффициент теплопередачи, найдем термическое
сопротивление стенки :
где δст - толщина стенки теплопроводящей поверхности; λcт - коэффициент теплопроводности стали
10Х17Н13М3Т при 34⁰C составляет 39 Вт/(м·K) [6, табл. 2.1. на с. 11.].
Определим коэффициент теплопередачи K’:
Проведем уточненный расчет коэффициента теплопередачи. Для этого
определим удельную тепловую нагрузку:
q’ = K’ · Dtср; (2.24)
Определим значения температур стенок tст,1 и tст,2:
Ниже приведены необходимые для дальнейших расчетов характеристики
теплоносителей по данным [2, табл. XXXIX на с. 537, табл. IV на с. 512, табл.
IX на с. 516] и [3, табл. П.3.2. и П.8.1.].
Таблица 5 Характеристики теплоносителей
Параметр
|
Бензол
|
Вода
|
Средняя
температура t, ◦C
|
32
|
28
|
Число Прандтля
Pr
|
7,5
|
5,74
|
Вычислим коэффициенты теплоотдачи с учетом поправки:
α1 = α1·(Pr/Prст)0,25;
(2.27)
α2 = α2·(Pr/Prст)0,25;
(2.28)
α1 = 664·(6,5/7,5)0,25 = 641 Вт/(м2·K);
α2 = 2483·(6,22/5,74)0,25 = 2533 Вт/(м2·K).
Определим коэффициент теплопередачи K по формуле (2.23):
Вычислим погрешность коэффициентов теплоотдачи:
Дальнейшее уточнение коэффициентов теплоотдачи, коэффициента
теплопередачи, удельной тепловой нагрузки и других характеристик не требуется,
т.к. погрешность между крайними значениями коэффициентов теплоотдачи не превышает
5%. Определим требуемую площадь поверхности теплопередачи Fтрб:
Так как Fпр ≈ Fтрб, т.е. 65 м2 ≈
70 м2, то выбранный ранее теплообменник подходит для заданных
условий работы. При этом запас площади поверхности теплопередачи D составит:
3. гидравлический расчет
Задачей гидравлического расчета в данном случае является определение
гидравлического сопротивления в трубном пространстве выбранного теплообменного
аппарата, так как по исходным данным допустимая потеря давления в аппарате
задана для целевого теплоносителя, который протекает по трубам. Для расчета
гидравлического сопротивления в трубах предварительно найдем некоторые
параметры.
Определим скорость движения бензола в трубах:
Вычислим коэффициент гидравлического трения λтр для турбулентного течения в круглых
трубах:
где D - абсолютная
величина шероховатости - для труб при незначительной коррозии D = 0,2 мм.
По данным [4, табл. 2.6 на с. 55] диаметр условного прохода штуцера dш
для трубного пространства теплообменного аппарата диаметром 600 мм с числом
ходов по трубам 2 составляет 0,2 м.
Определим скорость бензола в штуцерах:
Гидравлическое сопротивление в трубном пространстве рассчитаем по
формуле:
DPт = DP1
+ Z·(DP2 +DPтр +DP3)+DP4, (3.4)
где Z -число ходов в теплообменнике; потери давления, Па: DP1-при выходе потока из
штуцера в распределительную камеру; DP2 - на входе потока из распределительной камеры в
трубы теплообменника; DPтр
- на трение среды в трубах; DP3 - при выходе потока из труб; DP4- при входе потока в штуцер
теплообменника.
Коэффициенты местных сопротивлений ξ1 . . . ξ4 определяются видом сопротивления. Данная зависимость
представлена в соответствии с [5, табл. 3.4 на с. 137].
Вычислим потери давления на трение в трубах теплообменника:
В итоге гидравлическое сопротивление в трубном пространстве составляет:
DPт = 26, 7 + ·
(15, 4 + 106 + 23, 1) + 13, 4 = 329 Па.
По условию допустимая потеря давления в аппарате для целевого
теплоносителя не должна превышать 15000 Па. Вышеизложенными расчетами доказано,
что выбранный теплообменный аппарат соответствует заданным условиям, т.к.
потеря давления для целевого теплоносителя в нем составляет 329 Па.
4. Механический расчет
Рассчитываемый теплообменный аппарат будет работать с такими
теплоносителями, как бензол и вода, и относится к сварной химической
аппаратуре. Поэтому теплообменник выполнен из высоколегированной стали
аустенитного класса. Конструктивные размеры выбранного аппарата приведены в
табл. 6.
Таблица 6 Конструктивные размеры теплообменного аппарата
№
|
Параметр
|
Значение
|
1.
|
Диаметр кожуха
D, мм
|
600
|
2.
|
Диаметр труб d,
мм
|
25
× 2
|
3.
|
Число ходов Z
|
2
|
4.
|
Общее число труб n,
шт
|
240
|
Поверхность
теплообмена F, м2
|
75
|
6.
|
Длина труб L, м
|
4,0
|
7.
|
Площадь сечения одного хода
по трубам S тр, м2
|
0,042
|
8.
|
Площадь сечения потока
между перегородками S мтр, м2
|
0,045
|
9.
|
Толщина стенки труб δст, м
|
0,002
|
10.
|
Толщина стенки корпуса δк, м
|
0,005
|
Определим площадь сечения труб S Т:
Т = π (dн − δст) · δст · n; (4.1)
S т = 3, 14 (0, 025 − 0, 002) · 0, 002 · 240 = 0, 011 м2.
Определим площадь сечения кожуха SК:
К = π (D + δк)
· δк; (4.2)
S К = 3, 14 (0, 6 + 0, 005) · 0, 005 = 0, 0095 м2.
Вычислим усилия, обусловленные температурными деформациями в
теплообменнике, одинаковые для труб и кожуха из одинакового материала:
где αT
- коэффициент температурного линейного расширения легированной стали
10Х17Н13М3Т, равен 11,65·10−6 K−1 [6, табл.
2.1 на с. 11]; E - модуль нормальной упругости стали, равен 2,15·1011
Па [4, табл. 13.2 на с. 395]; tK - температура стенки кожуха принята
равной средней температуре воды t2 = 25⁰C (равенство tK ≈ t2
выполняется при наличии тепловой изоляции снаружи кожуха); tст
-температура стенки теплопередающих труб, принята наибольшей из рассчитанных в
тепловом расчёте значений tст = 34⁰C.
На рис. 4.1 представлена схема к расчету усилий, возникающих в
теплообменном аппарате.
Рис. 4.1 Растягивающие усилия в теплообменнике
Общее растягивающее усилие от действия давлений теплоносителей рассчитаем
по формуле:
P’’=
0, 785 ·0, 62 − 240 ·
0, 0252 · 4 · 105 + 0, 785 · 240 · 0, 021 · 2 · 105 = 82557 Н (4.4)
Определим растягивающее усилие от действия давления, воспринимаемое
трубами:
Вычислим растягивающее усилие от действия давления, воспринимаемое
кожухом:
Определим напряжение, возникающее в трубах:
Определим напряжение, возникающее в кожухе:
Определим нормативное допускаемое напряжение стали 10Х17Н13М3Т по
формуле:
[σдоп]= η·σ∗, (4.9)
где η - коэффициент, для взрыво- и пожароопасных сред равен 0,9 [4,
c. 394]; σ∗ - допускаемое напряжение для стали 10Х17Н13М3Т
составляет 160 МПа [4, табл. 13.1 на с. 394].
Имеем:
[σдоп]= 0,9·160 = 144 МПа.
Таким образом, напряжения, возникающие в трубах и кожухе теплообменного
аппарата, меньше, чем нормативное допускаемое напряжение стали 10Х17Н13М3Т,
т.е.:
σТ <[σдоп];
σК <[σдоп].
Это позволяет выбрать теплообменник типа Н с неподвижными трубными
решётками и без компенсатора температурных деформаций. В этом случае необходимо
дополнительно проверить на надёжность крепление труб в трубных решётках по
формуле:
Принимая толщину трубной решётки B равной dн (т.е. B = 0,02
м), для левой части формулы (4.10) получаем:
Данная величина значительно меньше допускаемого усилия для крепления труб
вальцовкой в гладких отверстиях трубной решётки, которое равно Pдоп
= 15 МПа.
5. Расчет тепловой изоляции
Определим толщину изоляционного слоя из листов асбестового картона марки
КАОН-1, устанавливаемых на корпусе выбранного теплообменного аппарата, чтобы
температура на поверхности изоляции tизл не превышала 50⁰C. Температуру стенки кожуха
теплообменного аппарата tст.к примем равной средней температуре обеспечивающего
теплоносителя 25⁰C. Температура окружающего воздуха tвозд равна 20⁰C. По изоляции наносится
асбестоцементная штукатурка. По [7, табл. IV.18] найдем коэффициент теплоотдачи
α
для перепада температур
между поверхностью изоляции tизл и окружающим воздухом tвозд.
Итак, для tизл −tвозд = 30⁰C коэффициент теплоотдачи α
составляет 7,7 Вт/(м2·K).
Определим коэффициент теплопроводности листов асбестового картона марки КАОН-1
по формуле [6, табл. 2.3 на с. 54]:
λиз = 0,135 + 0,00012·tср,
(5.1)
где tср = 0,5·(tст.к + tизл) = 37,5⁰C.
λиз = 0,135 + 0,00012·37,5 = 0,1395
Вт/(м·K).
Толщину изоляционного слоя определим по [7, формула IV.51 на с.274]:
где dизл - диаметр изоляционной конструкции, м. Данную
величину для цилиндрической поверхности определим по [7, формула IV.59 на с.
278]:
где D - диаметр изолируемого кожуха, м; t2 - средняя температура обеспечивающего теплоносителя.
Выражение имеет вид функции . По [7, приложение 3 на с. 408] для
(x lnx) = 0, 0503 находим x = 1, 05, т.е.:
Найдем толщину изоляционного слоя по уравнению (5.2):
Определим экономию теплоты через рассчитанную теплоизоляцию для
цилиндрической стенки длиной 4 м:
где l -длина цилиндрической стенки, м; A -переводной множитель, равный
0,86·10−6 Гкал/(Вт·ч); τ-число часов работы
теплоизолированного объекта в год;
С учетом рекомендаций [6, с. 57] имеем:
При этом годовая экономия средств составит:
где Sэ - стоимость тепловой энергии, руб/Гкал; Sиз - стоимость единицы количества
теплоизоляции с учетом монтажа, руб/кг; Tн - срок службы изоляции, принимается в интервале 5 - 10 лет; Gиз = πδизlρиз(D + δиз) - вес изоляции, кг; ρиз - плотность изоляции, кг/м3.
С учетом рекомендаций [6, с. 57] имеем:
6. Расчет и выбор вспомогательного
оборудования
Так как в выбранном теплообменном аппарате осуществляется вынужденное
движение теплоносителей, и потеря давления рассматривалась для целевого
теплоносителя (бензол), то для последнего необходимо подобрать насос. Насос
должен перекачивать бензол при температуре 70⁰C в трубное пространство
теплообменника, где избыточное давление составляет 0,2 МПа. Расход бензола 6,67
кг/с = 0,008 м3/c. Геометрическая высота подъема бензола 10 м. Длина
трубопровода на линии всасывания 12 м, на линии нагнетания 24 м. На линии
нагнетания имеются: 2 отвода под углом 45⁰ с радиусом поворота, равным 2 диаметрам трубы, 2
нормальных вентиля. На всасывающем участке трубопровода установлены: 2 отвода под
углом 90◦ с радиусом поворота, равным 2 диаметрам трубы.
Выберем стальную трубу (с незначительной коррозией) внутренним диаметром
равным условному проходу штуцера для входа бензола в теплообменник, толщина
стенки 4 мм. Таким образом, диаметр выбранной трубы 208×4
мм. Определим
фактическую скорость бензола в трубе:
Определим потребный напор насоса:
где p1 -давление в аппарате, из которого перекачивается
бензол; p2 -давление в трубном пространстве теплообменника; Hг - геометрическая высота подъема бензола.
Определим возможную максимальную высоту всасывания:
где pt - давление
насыщенного пара бензола при 70◦C
составляет 1,05 · 105
Па [8, рис. IV-12 на с. 89];ω2 - скорость движения бензола во всасывающем патрубке
насоса (примем равной скорости движения бензола в трубе).
Таким образом, расположение насоса на высоте более 1 м над уровнем
бензола в аппарате, из которого он подается в теплообменник, нежелательно из-за
возможности возникновения кавитации.
7. Специальный вопрос
Целью специального вопроса является определение зависимости Q = f (n),
где n - число дефектных трубок, выводимых
из работы путем установки пробок на сторонах входа и выхода теплоносителя.
Величина n изменяется от 1 до значения,
соответствующего 20 % величины площади поверхности теплопередачи F.
Выбранный теплообменный аппарат имеет площадь поверхности теплопередачи F = 75 м2. Таким образом, максимальное
значение тепловой нагрузки Q по
формуле (2.31) составляет 5, 4 105 Вт.
Вычислим значение площади теплопередачи Ft, соответствующее 20% максимальной величины площади
поверхности теплопередачи F:
Определим число дефектных трубок n, которое необходимо вывести из работы, чтобы
исключить из процесса теплопередачи 20% поверхности теплообмена, т.е. 15 м2
из 75 м2.
Площадь поверхности одной трубки составляет:
Таким образом, число дефектных трубок равно:
Итак, чтобы исключить из работы 20% общей поверхности теплообмена,
необходимо установить пробоки на сторонах входа и выхода теплоносителя в 48
трубах. Чтобы построить зависимость Q = f (n) необходимо найти следующие параметры:
где Qn - значение
тепловой нагрузки после выведения из работы n труб; Fn - площадь поверхности
теплообмена после выведения из работы n труб.
Площадь поверхности теплообмена Fn определим по формуле:
где n изменяется от 1 до 48.
На основании расчетов по формулам (7.3) и (7.4) имеем:
На основании вышеуказанных данных построим график зависимости Qn =f(n), который имеет вид:
Рис. 7.1. Зависимость тепловой нагрузки Qn от числа дефектных трубок n
По рисунку (7.1) видно, что зависимость тепловой мощности от числа
дефектных трубок имеет прямолинейный характер, причем зависимость убывающая,
т.е. тепловая мощность уменьшается с увеличением числа дефектных трубок.
Заключение
теплообменник установка тепловой
В результате поверочного расчета теплообменного аппарата для охлаждения
бензола был выбран теплообменный аппарат со следующими конструктивными
характеристиками:
Диаметр кожуха
D, мм
|
600
|
Диаметр труб d,
мм
|
25
× 2
|
Число ходов Z
|
2
|
Общее число труб n,
шт
|
240
|
Поверхность
теплообмена F, м2
|
75
|
Длина труб L, м
|
4,0
|
Площадь сечения одного хода
по трубам S тр, м2
|
0,042
|
Площадь сечения потока
между перегородкамиS мтр, м2
|
0,045
|
На основании механического расчета было принято решение выбрать
теплообменник типа Н с неподвижными трубными решётками и без компенсатора
температурных деформаций с креплением труб в трубных решётках развальцовкой.
В качестве тепловой изоляции рассчитана и выбрана однослойная тепловая
изоляция из листов асбестового картона марки КАОН-1 с нанесением
асбестоцементной штукатурки.
В качестве вспомогательного оборудования выбран центробежный насос марки
Х45/54, который обеспечен электродвигателем АО2-62-2 номинальной мощностью Nн = 17 кВт.
В результате рассмотрения специального вопроса установили графическую
зависимость теплового потока от количества дефектных трубок. По графику
наблюдается убывающая прямолинейная зависимость, т.е. значение теплового потока
снижается с увеличением числа дефектных трубок.
Список используемых источников
1. Дмитриев, Е.А. Теплообменные аппараты химических
производств: учеб. пособие/ Е.А. Дмитриев, Е.П. Моргунова, Р.Б. Комляшёв. - М.:
РХТУ им. Д. И. Менделеева, 2013. - 88 с.
. Поникаров, И.И. Расчеты машин и аппаратов химических
производств и нефтегазопереработки (примеры и задачи): Учебное пособие / И.И.
Поникаров, С.И. Поникаров, С.В. Рачковский. - М.: Альфа-М, 2008. - 720 с.
. Тимонин А.С. Основы конструирования и расчета
химико-технологического и природоохранного оборудования: Справ., Т.3. - Калуга.
Изд-во Н. Бочкаревой, 2002 г. - 968 с.
. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической
технологии: Учебник для вузов - 10-е изд., стереотипное, доработанное.
Перепечатано с изд. 1973 г. - М.: ООО ТИД «Альянс», 2004. - 753 с.
. Тимонин А.С., Борщев В Л., Балдин Б.Г. и др. Машины и
аппараты химических производств. Учебное пособие для вузов. Под общей редакцией
А.С.Тимонина.- Калуга, Изд. Н.Бочкаревой, 2008. - 872 с.
. А. С. Тимонин, В. Б. Моисеев, К. Р. Таранцева. Основы
конструирования и расчета химико-технологического и природоохранного
оборудования; под общ. ред. А. С. Тимонина; - Изд. 4-е, перераб., доп. и испр.
- Калуга : Ноосфера, Т.З.- 2015-1036с.
. Горбунова А.В., Ткачева Т.А., Левенец Т.В. Основы
химических производств: Оренбург : Университет, 2015 - 122 с.
. Игнатович Э. Химическая техника. Процессы и аппараты. Часть
1. (стр. 1-141) / пер. с нем. - Москва: Техносфера, 2007 - 656 с.
. Игнатович Э. Химическая техника. Процессы и аппараты. Часть
2. (стр. 142- 387) / пер. с нем. - Москва: Техносфера, 2007 - 656 с.