Расчет кожухотрубчатого теплообменника

Санкт-Петербургский Технологический Университет Растительных Полимеров

 

 

 

 

 

 

 

Кафедра процессов и аппаратов химической технологии

 

 

 

 

 

 

 

Курсовой проект на тему:

Расчет кожухотрубчатого теплообменника

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Санкт-Петербург

2015г.

 

 

Содержание

 

Введение…………………………………………………………..……….………2

Расчет кожухотрубчатого теплообменника……………...…………….………17

Результат расчета……………………………………………………...…………19

Библиографический список..……………………………………………....……21

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Тепловой расчет теплообменных аппаратов является основным необходимым элементом при проектировании теплообменных установок. От того насколько корректно произведен этот расчет, будет зависеть эффективность его работы.

Существует много типов теплообменников. В промышленности применяют, холодильники, подогреватели, конденсаторы, испарители и кипятильники. Кожухотрубчатые теплообменники относятся к числу наиболее часто применяемых поверхностных теплообменников. В кожухотрубчатом теплообменнике одна из обменивающихся теплом сред движется внутри труб, а другая - в межтрубном пространстве. Среды обычно направляют противотоком друг к другу. При этом нагреваемую среду направляют снизу вверх, а среду отдающую тепло - сверху вниз. Такое направление движения каждой среды совпадает с направлением, в котором стремится двигаться данная среда под влиянием изменения ее плотности при нагревании или охлаждении.

В данной работе рассматриваются поверхностные теплообменники непрерывного действия.

Порядок расчета теплообменников:

1) Определение  тепловой нагрузки аппарата, средней  движущей силы, и средних температур  теплоносителей.

2) Определение  расходов второго вещества из  теплового баланса.

3) Определение  ориентировочной площади поверхности  теплообмена, а также выбор размеров  теплообменных труб и, если возможно, расчет необходимого их количества  при обеспечении заданного режима

движения теплоносителей.

4) Предварительный выбор нормализованного теплообменника по

принятым параметрам.

5) Определение  частных коэффициентов теплоотдачи  для обоих теплоносителей с  использованием критериальных уравнений для соответствующих тепловых процессов, режимов теплоносителей и т.д. Определение термических сопротивлений стенок и загрязнений со стороны горячего и холодного теплоносителей.

6) Определение  общего коэффициента теплопередачи  и уточнение температур стенки  со стороны горячего и холодного  теплоносителей. Пересчет коэффициентов  теплопередачи.

7) Определение расчетной поверхности теплообмена по основному уравнению теплопередачи и окончательный выбор нормализованного теплообменника. Определение запаса поверхности теплообмена, необходимого для обеспечения длительной работы аппарата, так как на поверхности труб и кожуха образуются разного вида загрязнения (отложение нерастворимых осадков, накипеобразование, ржавчина и т д ) которые снижают эффективность процесса теплообмена,

уменьшая коэффициент теплопередачи.

 

Назначение программы

Программа Heat Exchangers Design (HeatExchange) предназначена для проведения ряда тепловых расчетов следующих видов теплообменников:

• теплообменника труба-в-трубе (агрегатное состояние продукта и теплоносителя не меняется);

• кожухотрубчатого теплообменника (агрегатное состояние, как продукта, так и теплоносителя может изменяться);

• пластинчатого теплообменника (агрегатное состояние продукта и теплоносителя не меняется);

• внутреннего концентрического змеевика емкостного аппарата (агрегатное состояние продукта в аппарате не меняется, в змеевике возможна конденсация паров теплоносителя);

• рубашек емкостного аппарата, выполненных из труб, полутруб, уголка или швеллера (агрегатное состояние продукта в аппарате не меняется, в рубашке возможна конденсация паров теплоносителя).

В состав программного комплекса также входит справочник теплофизических свойств веществ, содержащий зависимости характеристик используемых рабочих сред и теплоносителей от температуры: плотность, вязкость, удельная теплоемкость, коэффициент теплопроводности, коэффициент объемного расширения, коэффициент поверхностного натяжения, удельная теплота парообразования, а также коэффициенты теплопроводности материалов стенок и изоляционных материалов. Программный комплекс может применяться в проектных отделах химических предприятий, а также в учебном процессе при обучении студентов соответствующих специальностей.

Требования к конфигурации компьютера

Для функционирования программы необходим персональный компьютер IBM PC, работающий под управлением операционной системы семейства Microsoft Windows, версии не ниже Windows 98 и с установленным пакетом Microsoft .NET Framework 2.0 или более поздней версии. Желательно наличие Microsoft Word 2003 или более поздней версии для сохранения результатов расчета программы в соответствующем формате (*.doc, *.rtf и т.п.) и вывода на печать.

Используемая методика расчета

Для решения задачи теплообмена требуется задать ряд исходных и справочных данных. При выборе вещества из базы данных все его известные теплофизические свойства задаются автоматически. Также допускается их ввод пользователем системы.

Для продукта, если его фазовое состояние не меняется, требуется задать температуру на входе и выходе теплообменника, а также массовый расход. Если фазовое состояние продукта изменяется (продукт конденсируется или испаряется), то необходимо задать его давление (для чистого вещества), или температуру кипения (для смеси), а также массовый расход. Если в теплообменнике происходит подогрев жидкости до температуры кипения и (или) перегрев паров, охлаждение паров до температуры конденсации и (или) переохлаждение конденсата, также необходимо задать температуру на входе и выходе теплообменника.

Для теплоносителя, если его фазовое состояние не меняется, необходимо задать начальную температуру и еще один параметр: конечную температуру либо массовый расход. В случае изменения фазового состояния теплоносителя задается его давление (для чистого вещества) или температура кипения (для смеси).

Расчет требуемой поверхности теплообмена состоит из нескольких этапов [1, 2]:

1. Определение тепловой  нагрузки аппарата по продукту, среднего логарифмического температурного  напора и средних температур  продукта и теплоносителя.

2. Определение из теплового  баланса расхода теплоносителя (если  задана его конечная температура) либо конечной температуры (если  задан расход теплоносителя).

3. Если выбран ориентировочный  вид расчета (для кожухотрубчатого теплообменника, внутреннего змеевика или рубашки) или расчет по заданному коэффициенту теплопередачи Kt , производится определение ориентировочной площади поверхности теплообмена. Если выбран поверочный тип расчета, то см. п.5.

4. Предварительный выбор  теплообменника по найденной  поверхности теплообмена.

5. Определение коэффициентов  теплоотдачи для продукта и  теплоносителя с использованием  критериальных уравнений для соответствующих тепловых процессов, режимов теплоносителей, конструкционных характеристик теплообменника (площадей проходных сечений трубного и межтрубного пространства, геометрического расположения труб и т.д.).

6. Определение температур  стенок со стороны продукта  и теплоносителя из решения  системы уравнений баланса тепловых  потоков.

7. Пересчет коэффициента  теплопередачи с учетом термических  сопротивлений слоев загрязнений  стенок со стороны продукта  и теплоносителя.

8. Определение расчетной  поверхности теплообмена по основному  уравнению теплопередачи и окончательный  выбор теплообменника.

Расчет коэффициентов теплоотдачи

Выбор уравнений для уточненного расчета коэффициентов теплоотдачи зависит от характера теплообмена (без изменения агрегатного состояния, кипение или конденсации), от вида выбранной поверхности теплообмена (плоской, трубчатой), от типа конструкции (кожухотрубчатый теплообменник, змеевик, рубашка и др.), от режима движения теплоносителя (турбулентный, промежуточный или ламинарный) [2]. В общем виде критериальная зависимость для определения коэффициентов теплоотдачи имеет вид:

,

где:

 – критерий Нуссельта;

 – критерий Грасгофа;

 – критерий Прандтля;

 – критерий Рейнольдса;

β – коэффициент объемного расширения, К-1

d – диаметр аппарата, м;

l – геометрический параметр аппарата, м;

c, λ, µ, – удельная теплоемкость, коэффициент теплопроводности, динамическая вязкость (Дж/кг°К, Вт/м°К, Па·с, м²/с);

v – скорость потока, м/с;

ρ – плотность конденсата, кг/м³;

∆t – разность температур между стенкой и средой, °К.

Во многие расчетные формулы для определения коэффициента теплоотдачи в явном или неявном виде входит температура стенки.

Таким образом, в общем виде выражения для расчета коэффициентов теплоотдачи можно записать в следующем виде:

Ниже приводятся выражения для расчета коэффициентов теплоотдачи, используемые в системе.

Для случая свободной конвекции жидкости или газа (емкостной аппарат без перемешивающего устройства, теплоотдача от тепловой изоляции в окружающий воздух и т.п.) [3], с.134:

, если Gr·Pr ≤ 500;

, если 500 < Gr·Pr ≤ 2·107;

, если Gr·Pr > 2·107,

где Н – высота теплообменной поверхности;

Prст – значение критерия Прандтля при температуре стенки.

Для случая вынужденного движения жидкости или газа по трубам и каналам (кожухотрубчатый теплообменник, «труба-в-трубе») [3], с.128, 129:

, если Re > 10000 (турбулентный режим);

, если 2300 ≤ Re < 10000 (переходный режим);

, если Re < 2300 (ламинарный режим),

где d – внутренний диаметр трубы (эквивалентный диаметр канала).

Для случая поперечного обтекания жидкостью или газом пучка труб (межтрубное пространство кожухотрубчатого теплообменника) [3], с.130, 131:

, если Re ≥ 1000 и в трубной решетке шахматное расположение труб;

, если Re ≥ 1000 и в трубной решетке рядное расположение труб;

, если Re < 1000,

где dн – наружный диаметр трубы

Для случая кипения жидкости на наружной поверхности пучка труб (кипение в межтрубном пространстве кожухотрубчатого теплообменника) [4], с.151:

,

где p – давление паров чистого вещества или смеси, МПа; Ф принимает следующие значения: 1 – для воды, 0,204 – для рассола, 0,155 – для сахара (25%), 0,02 – для бензола, 0,025 – для толуола, 0,074 – для этанола и 0,033 – для метанола.

Для случая кипения жидкости при вынужденном движении в трубах (кипение в трубном пространстве кожухотрубчатого теплообменника) [3], с.137, 138:

,

где ρп - плотность пара, кг/м3;

σ - коэффициент поверхностного натяжения, Н·м.

Для случая конденсации пара в вертикальном аппарате (конденсация в трубном и межтрубном пространстве вертикального кожухотрубчатого теплообменника) [4], с.150:

,

где r – удельная теплота конденсации (парообразования), Дж/кг;

H – рабочая высота вертикальной трубы, м.

Для случая конденсации пара в горизонтальном аппарате (конденсация в трубном и межтрубном пространстве горизонтального кожухотрубчатого теплообменника) [4], с.150:

Для случая турбулентного перемешивания в аппарате с механическими мешалками (вертикальный аппарат с перемешивающим устройством) [5], с.160:

,

где N – мощность, затрачиваемая на перемешивание, Вт;

V – объём среды в аппарате, м3.

Для случая вынужденного движения жидкости в змеевике, рубашке из полутруб (движение жидкости во внутреннем концентрическом змеевике, рубашке емкостного аппарата, выполненной из труб, полутруб, уголка или швеллера) [5], с.170:

,

где dз – внутренний диаметр трубы змеевика или эквивалентный диаметр канала рубашки, м;

μст – динамическая вязкость жидкости при температуре стенки, Па·с;

εt – поправка на изогнутость канала змеевика или рубашки.

Для случая конденсации пара в змеевике, рубашке из полутруб (конденсация пара во внутреннем концентрическом змеевике, рубашке емкостного аппарата, выполненной из труб, полутруб, уголка или швеллера) [5], с.171:

 если Reп < 35000;

 во всех остальных  случаях,

где Reп – критерий Рейнольдса для пленки конденсата;

Gк – массовый расход конденсата, кг/с.

Для случая движения жидкости в пластинчатом теплообменнике [4], с.178:

,

где dэ – эквивалентный диаметр каналов пластин теплообменника, м.

Работа с программой

Приемы работы с документами

Каждый документ системы Heat Exchangers Design хранится в отдельном файле на диске (файлы документов имеют расширение *.he) и при необходимости загружается в систему (открывается).

Интерфейс пользователя программы является MDI-интерфейсом (англ. MDI – Multiple Document Interface), и позволяет одновременно открывать несколько документов. При этом работа с документами в Heat Exchangers Design практически ничем не отличается от подобной работы в других приложениях Microsoft Windows.

Для просмотра текущего списка открытых документов необходимо выбрать в верхнем меню программы пункт Окно.

Создание

Для создания нового документа выполните команду верхнего меню Файл –  Создать – «Требуемый тип теплообменника». Другим способом создания нового документа является выбор его из меню кнопки Создать.