Тепловой и гидравлический расчёт кожухотрубчатого теплообменника

Тепловой и гидравлический расчёт кожухотрубчатого теплообменника

Содержание

Введение

1.  Задание

2.      Поверочный расчёт кожухотрубчатого теплообменного аппарата

3.      Гидравлический расчёт теплообменного аппарата

. Заключение

Литература

Общее количество листов

Введение

Теплообменные аппараты (теплообменники) представляют собой устройства, предназначенные для передачи тепла от одной рабочей среды (теплоносителя) к другой. Теплоносители могут быть газообразными, жидкими и твердыми. Теплообменники имеют различные назначения. В них могут протекать процессы нагревания, охлаждения, кипения, конденсации, расплавления и затвердевания. А также сложные термохимические процессы: выпаривание, ректификация, полимеризация, вулканизация и многие другие.

По характеру обмена теплом теплообменные аппараты разделяются на:

поверхностные;

смесительные.

По принципу действия теплообменные аппараты могут быть разделены на:

рекуперативные;

регенеративные;

смесительные.

Выделяются еще теплообменные устройства, в которых нагрев или охлаждение теплоносителя осуществляются за счет внутренних источников теплоты.

Кожухотрубчатые теплообменники - аппараты, выполненные из пучков труб, собранных при помощи трубных решеток, ограниченные кожухами и крышками со штуцерами.

Трубное и межтрубное пространства в аппарате разобщены, а каждое из этих пространств может быть разделено при помощи перегородок на несколько ходов.

Перегородки устанавливаются с целью увеличения скорости и интенсивности теплообмена теплоносителей. Теплообменники этого типа предназначаются для теплообмена между различными жидкостями, между паром и жидкостями или между жидкостями и газами. Они применяются тогда, когда требуется большая поверхность теплообмена.

Трубки теплообменников изготавливают прямыми, поэтому они легко доступны для очистки и замены в случае течи.

В большинстве случаев греющий теплоноситель вводится в межтрубное пространство, а нагреваемая жидкость протекает по трубам. Конденсат из межтрубного пространства выходит к конденсатоотводчику через штуцер, расположенный в нижней части кожуха.

Для компенсации температурных удлинений, возникающих между кожухом и трубками, предусматривается возможность свободного удлинения труб за счет различного рода компенсаторов.

Кожухотрубные аппараты могут быть:

вертикальными;

горизонтальными.

Вертикальные аппараты имеют большее распространение, так как они занимают меньше места и более удобно располагаются в рабочем помещении. Для удобства монтажа и эксплуатации максимальную длину трубок для них следует брать не больше 5 м.

Во избежание резкого снижения теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенке в корпусе теплообменника должны быть предусмотрены краны для выпуска воздуха как из нижней части аппарата над поверхностью конденсата, так и из верхней его части.

Обычно корпус расположен горизонтально в аппараты типа жидкость-жидкость. Трубный пучок здесь прямотрубный, трубки жестко заделываются в трубные доски.

Компенсация тепловых расширений корпуса относительно трубного пучка обеспечивается компенсатором тепловых удлинений.

В межтрубном пространстве при течении жидкости для организованного эффективного поперечного обтекания трубного пучка устанавливаются промежуточные перегородки.

Физическое описание кожухотрубчатого теплообменника.

Рекуперативные теплообменные аппараты представляют собой устройства, в которых две жидкости с различными температурами текут в пространстве, разделенном твердой стенкой. Теплообмен происходит за счет конвекции и теплопроводности стенки.

Конвекция теплоты - процесс переноса теплоты макрочастицами . жидкости в пространстве из области с одной температурой .

в область с другой температурой.

Конвекция возможна только в текучей среде, в которой перенос теплоты неразрывно связан с переносом самой среды.

Конвективный теплообмен между потоками жидкости и поверхностью соприкасающегося с ним тела называется конвективной теплоотдачей.

При расчетах теплоотдачи используют закон Ньютона-Рихмана:

В зависимости от физических свойств жидкостей процесс теплообмена может протекать различно и своеобразно. Особенно большое влияние оказывают коэффициент теплопроводности, удельная теплоемкость, коэффициент температуропроводности и коэффициент вязкости.

Процесс теплоотдачи при течении жидкости в трубах является более сложным по сравнению с процессом теплоотдачи при омывании поверхности неограниченным потоком. Поперечное сечение трубы имеет конечные размеры. В результате, начиная с некоторого расстояния от входа, жидкость по всему поперечному сечению трубы испытывает тормозящее действие сил вязкости, происходит изменение температур жидкости как по сечению, так и по длине канала. Всё это сказывается на теплоотдаче.

Течение жидкости может быть ламинарным и турбулентным.

О режиме течения в трубах судят по значению числа Рейнольдса:

-   если Re меньше Re1критического приблизительно равным 2000, то течение является ламинарным.

-        развитое турбулентное течение в технических трубах устанавливается при Re>Re2 критического приблизительно равным 10000.

         течение при Re=2000÷10000 называют переходным. Ему соответствует и переходной режим теплоотдачи.

Теплообменные устройства сравнительно редко выполняются из одной поперечно-омываемой трубы, обычно трубы собирают в пучок. В технике часто встречаются два основных типа трубных пучков: шахматный и коридорный.

Течение жидкости в пучке имеет достаточно сложный характер. Рядом стоящие трубы пучка оказывают воздействие на омывание соседних. Обычно пучок труб устанавливают в каком-либо канале, поэтому движение в пучке может быть связано с течением в канале. Известны два основных режима течения жидкости: ламинарный и турбулентный. Форма течения жидкости в пучке во многом зависит от характера течения в канале перед пучком. Если при данном расходе и температурах течение в канале, где установлен пучок, турбулентное при отсутствии пучка, то оно будет обязательно турбулентным и в пучке, так как пучок является прекрасным турбулизатором. Однако, если пучок помещён в канале, в котором до его установки имел место ламинарный режим течения, то в этом случае в зависимости от числа Re можно иметь как одну, так и другую форму течения.

В настоящее время наиболее изученным является смешанный режим, который часто встречается в технике. Смешанному режиму соответствует числа Re от 1000 до 100000. Рассмотрим его основные особенности.

Омывание первого ряда труб и шахматного и коридорного пучков аналогично омыванию одиночного цилиндра. Характер омывания остальных труб сильно зависит от типа пучка. В коридорных пучках все трубы второго и последующих рядов находятся в вихревой зоне впереди стоящих труб, причём циркуляция жидкости в вихревой зоне слабая, так как поток в основном проходит в продольных зазорах между трубами (“в коридорах”). Поэтому в коридорных пучках как лобовая, так и кормовая часть трубок омываются со значительно меньшей интенсивностью, чем те же части одиночной трубки или лобовая часть трубки первого ряда в пучке. В шахматных пучках характер омывания глубоко расположенных трубок качественно мало отличается от характера омывания трубок первого ряда.

Теплоотдача пучков труб зависит также от расстояния между трубами, которое принято выражать в виде безразмерных характеристик s1/d и s2/d, называемых соответственно относительными поперечным и продольным шагами.

1. Задание

теплообменный аппарат кожухотрубный расчет

Выполнить поверочный тепловой и гидравлический расчёты нормализованного кожухотрубного теплообменного аппарата по ГОСТ 14245- ,14246- ,1427-79 - предназначен для охлаждения масла типа масло МС-20 в количестве G₁=4 кг/с от начальной температуры масло охлаждается до  . Охлаждение осуществляется водой с начальной температурой  и конечной  .

2. Поверочный расчёт кожухотрубчатого теплообменного аппарата

1.       Определение тепловой нагрузки :

 Вт

2.       Определим расход воды из уравнения теплового баланса :

=7,42 кг/с

3.       Определение среднелогарифмической разности температур :

=43,28

4.       Ориентировочный выбор теплообменника. В трубное пространство с меньшим проходным сечением целесообразно направить теплоноситель с меньшим расходом , т.е. горячий раствор . Это позволит выровнять скорости движения теплоносителей и соответвующие коэффициенты теплоотдачи , увеличивая таким образом коэффициент теплопередачи . Кроме того , направляя поток холодной жидкости в межтрубное пространство , можно отказаться от теплоизоляции кожуха теплообменника.

Примем ориентировочное значение  , что соответствует развитому турбулентному режиму течения в трубах. Очевидно , такой режим возможен в теплообменнике , у которого число труб диаметром

 мм :

 принимаем

Ориентировочное значение коэффициента теплопередачи, соответствующее турбулентному течению :

Ориентировочное значение поверхности теплообмена :

Поправка для среднелогарифмической разности температур определим по уравнению :

С учётом поправки ориентировочная поверхность составит :

Целесообразно произвести расчёт следующего варианта :

, ,   

5.       Уточнённый расчёт поверхности теплопередачи :

По значению числа Рейнольдса определяем , что у нас переходной режим течения :

Площадь сечения потока в межтрубном пространстве между перегородками -

Термические сопротивления

 .

Повышенная коррозионная активность этих жидкостей диктует выбор нержавеющей стали в качестве материала труб . Теплопроводность нержавеющей стали примем равной  

Сумма термических сопротивлений стенки и загрязненной воды равна

Коэффициент теплопередачи равен

Требуемая поверхность составит

Из выбранного ряда подходит теплообменник с трубами длиной 3,0 м и номинальной поверхностью

При этом запас

Масса теплообменника :

4.      Гидравлический расчёт теплообменного аппарата

Скорость жидкости в трубах :

 - относительная шероховатость труб;

- высота выступов шероховатостей равна 0,2 мм .

Коэффициент трения :

Диаметр штуцеров в распределительной камере

;

Скорость в штуцерах :

В трубном пространстве следующие местные сопротивления : вход в камеру и выход из неё , 1 поворот на  , четыре входа в трубы и четыре выхода из них .

Гидравлическое сопротивление трубного пространства равно :

Число рядов труб , омываемых потоком в межтрубном пространстве :

 Принимаем n=8 .

Число сегментных перегородок x=10 .

Диаметр штуцеров к кожуху :

Скорость потока в штуцерах :

Скорость жидкости в самом узком сечении межтрубного пространства площадью

 равна :

В межтрубном пространстве следующие местные сопротивления : вход и выход жидкости через штуцера , 10 поворотов через сегментные перегородки и 11 сопротивлений трубного пучка при его поперечном обтекании

Сопротивление межтрубного пространства равно :

Литература

1)       «Основные процессы и аппараты химической технологии. Курсовое проектирование.» под редакцией Дытнерского. Москва-Химия 1983 г.

2)      «Теплопередача» Исаченко Сукомел

)        «Основы теплопередачи» Беляев