Кожухотрубный теплообменник с неподвижными трубными решетками

Министерство образования и науки Российской Федерации

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Санкт-Петербургский государственный горный университет

Кафедра АТТП

Отчет по лабораторной работе №1

Тема: Кожухотрубный теплообменник с неподвижными трубными решетками

Дисциплина: «»

Выполнил: студент гр.    ТХ-07         _________                      / Позднякова Е. В.

                                                                                           (подпись)                                               (Ф.И.О.)

Проверил: _ассистент_                                                              / Романова Н. А./

                                    (должность)                                      (подпись)                                                   (Ф.И.О.)        

Санкт - Петербург

2011

Лабораторная работа № 1

Кожухотрубный теплообменник с неподвижными трубными решетками

Цель работы:

1.              Изучение устройства кожухотрубного теплообменника.

2.              Определить средний температурный напор для двухходового и четырехходового теплообменников.

3.              Определение коэффициентов теплопередачи для двухходового и четырехходового теплообменников.

4.              Определение коэффициентов теплоотдачи для двухходового и четырехходового теплообменников.

Кожухотрубные теплообменники. Этот тип теплообменников является одним из наиболее распространенных. Кожухотрубные теплообменники состоят из пучка труб, концы которых закреплены в специальных трубных решетках путем развальцовки, сварки, пайки, а иногда на сальниках. Пучок труб расположен внутри общего кожуха, причем один из теплоносителей движется по трубам, а другой в пространстве между кожухом и трубами ( межтрубное пространство). Применяются одноходовые теплообменники, в которых теплоноситель движется параллельно по всем трубам  и многоходовые работающие при смешанном токе теплоносителей. Эти теплообменники применяются для повышения скорости теплоносителя при их движении в трубах.

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.

В теплообменниках с неподвижными трубными решетками при различном тепловом удлинении труб и кожуха возникают температурные напряжения; поэтому такие теплообменники применяют при небольшой ( до 50 градусах С) разности температур между трубами и кожухом.

Компенсация неодинакового удлинения труб и кожуха достигается установкой линзового компенсатора, устройством подвижной трубной решетки, применением U – образных труб, а также с сальниковым компенсатором. (рисунок 1)

Кожухотрубные теплообменники выполняют одноходовыми, в которых жидкость движется параллельно по всем трубам, и многоходовыми, в которых пучок труб разделен на несколько секций (ходов), причем жидкость протекает последовательно по всем ходам (рисунок 2)

Кожухотрубные теплообменники одноходовые и многоходовые по межтрубному пространству (рисунок 3)

Аппараты, в которых одна из трубных решеток не прикреплена к кожуху и имеет свободное осевое перемещение, называют теплообменниками с «плавающей» головкой.

Достоинством кожухотрубных теплообменников являются: 1. компактность; 2. небольшой расход металла; 3. легкость очистки труб изнутри ( за исключением U- образных теплообменников).

Недостатком таких теплообменников являются: 1. трудность пропускания теплоносителей с большими скоростями; 2. трудность очистки межтрубного пространства и малая доступность для его осмотра и ремонта; 3. трудность изготовления из материалов, не допускающих развальцовки и сварки (чугун и др.). 

Кожухотрубчатые теплообменники с компенсацией неоднородных температурных удлинений труб и кожуха

Рисунок 1 - Кожухотрубные теплообменники с компенсирующими устройствами:

а - теплообменник с линзовым компенсатором (полужесткая конструкция); б - аппарат с плавающей головкой; в - аппарат с U-образными трубами; 1 - кожухи; 2 - трубы; 3 - линзо­вый компенсатор; 4 - плавающая головка; I и II – теплоносители.

Рис.2 - Многоходовые теплообменники по трубному пространству: а - двухходовый теплообменник; б - четырехходовый теплообменник; 1 - крышки; 2 - перегородки в крышках; I и II - теплоносители

Многоходовый (по межтрубному пространству) кожухотрубчатый теплообменник

Рис.3 - Схема многоходового (по межтрубному пространству) кожухотрубного теплообменника:

1 - кожух; 2 - перегородки; I и II - теплоносители

В лабораторной работе применяется кожухотрубный теплообменник, выполненный из нержавеющих труб. Труба по ГОСТ 9941-81  бесшовная горячедеформированная из коррозионностойкой стали 04Х18Н10  диаметром 11х1, L=630мм. Общее количество трубок  n =76шт.

Константы воды, применяемые при проведении эксперимента:

Вязкость ………………   

Теплопроводность …...    

Удельная теплоемкость    

Коэф. объемного расширения  

Плотность ……………     

Экспериментальные данные

Таблица

где 1 – эксперимент с четырехходовой конфигурацией; 2 – эксперимент с двухходовой конфигурацией.

360 л/час = 0,36 м3/час = 360 кг/час.

Проведение расчетов и основные формулы

1.       Определить тепловую нагрузку, передаваемую горячим теплоносителем для первого и второго экспериментов

              (1)

Четырехходовой:

Двухходовой:

2.       Определить тепловую нагрузку,  принимаемую холодным  теплоносителем для первого и второго экспериментов

              (2)

Четырехходовой:

Двухходовой:

3.       Определить коэффициент  использования тепла для первого и второго экспериментов

              (3)

Четырехходовой:

Двухходовой:

4.       Определить поверхность теплопередачи (по среднему диаметру)

              (4)

5.       Определить средний температурный напор для первого и второго экспериментов.

В многоходовых теплообменниках теплоносители движутся вдоль поверхности теплообмена противотоком и вдоль другой ее части – прямотоком.

Для расчета среднего температурного напора при смешанном токе пользуемся формулой

                                                        (5)

Четырехходовой:

Двухходовой:

Здесь ∆ Т  и ∆ t -температурные перепады горячего и холодного теплоносителей;  и -температурные напоры на входе и выходе теплообменника при работе противотоком с теми же начальными и конечными температурами теплоносителей.

                                                                  (6)

Четырехходовой: ;

Двухходовой: ;

6.       Определить коэффициент теплопередачи для  первого и второго экспериментов.

              (7)

Четырехходовой:

Двухходовой:

7.       Для определения массовой скорости теплоносителя воспользуемся формулой

              (8)

где G – расход теплоносителя, кг/сек; W – массовая скорость теплоносителя,

Четырехходовой:

Двухходовой:

В то же время сечения для прохода теплоносителей связаны с конструктивными размерами аппарата. В трубчатых теплообменниках площадь поперечного сечения трубного пространства составляет в (м):

              (9)

где - внутренний диаметр трубы, м;               - общее число труб в аппарате;  - число ходов.

Четырехходовой:

Двухходовой:

8.       Произвести сравнение коэффициентов теплопередачи между первым и вторым экспериментами.

Оказалось, что коэффициент теплопередачи для четырехходовой конфигурации теплообменника () больше, чем для двухходовой ().

9.       Определить коэффициент теплоотдачи при движении воды по трубкам теплообменника при первом и втором экспериментах.  В этом случае для определения используются следующие уравнения: критерии Re, Pr, Gr, Nu: 

10.   ;              (10)

Четырехходовой:

Двухходовой:

11.   ;              (11)

12.   ;              (12)

Четырехходовой:

Двухходовой:

13.                 При Re < 2300

              (13)

где, коэффициент, для горизонтальных труб равен 0,74

Четырехходовой:

Двухходовой:

14.                 (14)

Четырехходовой:

Двухходовой:

Вывод: в ходе лабораторной работы были изучены устройства двухходового и четырехходового кожухотрубного теплообменника.

Также были определены:

       средний температурный напор:

для двухходового - и для четырехходового - ;

       коэффициенты теплопередачи

для двухходового - и для четырехходового -;

       коэффициенты теплоотдачи

для двухходового – и для четырехходового -;