Выбор и расчет теплообменника

Выбор и расчет теплообменника

Введение

Теплообменник, теплообменный аппарат - устройство, в котором осуществляется передача теплоты от горячего теплоносителя к холодному (нагреваемому). Теплоносителями могут быть газы, пары, жидкости. В зависимости от назначения теплообменные аппараты используют как нагреватели и как охладители. Применяется в технологических процессах нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической, газовой и других отраслях промышленности, в энергетике и коммунальном хозяйстве.

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 передаётся через поверхность нагрева - твёрдую (металлическую) стенку, разделяющую эти среды.

По основному назначению различаются подогреватели, испарители, холодильники, конденсаторы.

В зависимости от вида рабочих сред различаются теплообменники:

·   жидкостно-жидкостные - при теплообмене между двумя жидкими средами;

·        паро-жидкостные - при теплообмене между паром и жидкостью (паровые подогреватели, конденсаторы);

·        газо-жидкостные - при теплообмене между газом и жидкостью (холодильники для воздуха).

·        газово-газовые - при теплообмене между газом и газом и др.

По тепловому режиму различаются теплообменники периодического действия, в которых наблюдается нестационарный тепловой процесс, и непрерывного действия с установившимся во времени процессом.

Многотрубный кожухотрубчатый теплообменник представляет собой пучок трубок, помещенных в цилиндрическую камеру (кожух); таким образом, внутренность камеры является межтрубным пространством. Трубки закреплены в трубные решетки, ограничивающие камеру со всех сторон. К трубным решеткам крепятся распределительные коробки с патрубками для впуска рабочей жидкости, протекающей внутри трубок. Камера снабжена также патрубками для подвода и отвода второго рабочего тела. Трубки латунные, медные или стальные применяются диаметром от 10 мм и выше; трубки имеют большие диаметры при вязких или загрязненных жидкостях. Для помещения в кожухе большей поверхности теплообмена и получения большего коэффициента теплоотдачи выгоднее применять трубки меньшего диаметра. Трубные решетки могут быть наглухо приварены или приклёпаны к корпусу, одна из решеток может быть не соединена с камерой. В этом случае уплотнение достигается резиновым кольцом, зажимающим щель между корпусом и решеткой, линзовыми компенсаторами и U-образными трубками. Кожух теплообменника обычно стальной, цилиндрический. Иногда для обеспечения свободы температурного расширения кожуха и трубок на кожухе устраивают компенсатор.

Кожухотрубчатые теплообменники достаточно просты в изготовлении, отличаются возможностью развивать большую поверхность теплообмена в одном аппарате, надежны в работе. Один из теплоносителей протекает по трубам, другой по межтрубному пространству. Теплота от одного теплоносителя другому передается через поверхность стенок труб. Обычно теплоносители подают в противоток. Такое движение теплоносителей способствует более эффективному переносу теплоты.

В одноходовом теплообменнике оба теплоносителя, не изменяя направления, движутся по всему сечению (один по трубному, другой по межтрубному), в других случаях 2,4,6-ти ходовые теплообменники. Когда скорость движения теплоносителя невелика и, следовательно, низки коэффициенты теплоотдачи, целесообразно использовать многоходовые теплообменники по трубному пространству. В многоходовом по трубному пространству теплообменнике с помощью поперечных перегородок 2, установленных в крышках теплообменников, трубный пучок разделен на секции, или ходы, по которым последовательно движется теплоноситель. При этом число труб в каждой секции обычно примерно одинаковое.

1. Теловой расчет

Температурная схема процесса теплообмена: 55-28°С - ацетон; 15-40°С - вода; ∆tб=15°С; ∆tм=13°С

Литературные и табличные данные:

Плотность ацетона р=790 кг\м³.

Плотность воды р=1000 кг\м3.

Вязкость ацетона µ=0,25*10^-3Па*с.

Число Pr=0.79.

Теплопроводность ацетона λ=16,3 Вт/(м×К).

Теплопроводность воды λ=0,56 Вт/(м×К).

Теплоемкость ацетона C_p=2160 Дж/(кг*К).

Теплоемкость воды С_р=4178 Дж/(кг*К).

Тепловой баланс:

Q= G₁*(C₁*t_1н-C₁*t_1k)= G₂*(C₂*t_2k-C₂*t_2н).

Из данного выражения можно найти расход обеспечивающей жидкости:₂=8.2*10^-3м³/с.

Теплота процесса:=874.8 кВт.

Большее и меньшее изменение температур:

∆t_б=15°C; ∆t_м=13°C.

Среднее логарифмическое изменение температур:

∆t_cp=(∆t_б-∆t_м)/Ln(∆tб/∆tм).

Тогда:

∆t_cp=14.29°C.

Для теплоносителя, имеющего меньшее изменение температуры в теплообменнике, средняя температура находится как среднеарифметическая температур входа и выхода:’_cp=27.5°C.

Для другого теплоносителя:’’_cp=41.79°C.

Находится предварительная величина площади поверхности теплопередачи:

_пр=Q/(∆t_cp*K_пр).

Тогда:_пр= 306.1м².

Число труб, приходящихся на один ход:

n/z=(4*G)/(π*d_вн*Re*µ).

Тогда:/z=0.05.

По вычисленным данным выбираем приближенно стандартный теплообменник:=400мм; D=1000мм; d=20мм; z=1.

Вычисляем поправку на сложные схемы тока теплоносителей:

_∆t=P*√2/(1-P)*Ln(2-P(2-√2))/(2-P(2+√2)).

При Р=0,325; R=1:_∆t= 0.96.

∆t=0.96*14.29=13.7184°C.

Снова высчитываем значение площади, и выбираем стандартный теплообменник из литературных данных:=318м².

Теплообменник:=1200мм; L=600мм; d=25мм; z=4 n=666.

Величина Nu определяется по формуле:

=0.021*Re^0.8*Pr^0.43.

Тогда:=29.9.

Коэффициенты теплоотдачи трубного и межтрубного пространства рассчитываются по следующим формулам:

α_мтр=C*(r*p²*λ³*g)/(µ*l*∆t_кон);

α_тр=(Nu*λ)/d_вн.

Тогда:

α_мтр= 602,35 Вт/(м²*К);

α_тр=669,76 Вт/(м²*К).

Коэффициент теплопередачи:

K=1/(1/α_тр+R_тр+σ_ст/λ_ст+R_мтр+1/α_мтр).

Тогда:=223,9.

Уточненная площадь поверхности составляет:

_расч=Q/(K*∆t)=285м².

Тогда:_расч= 285м².

Запас площади поверхности теплообменника:

(318-285)/285=11,58%.

Следовательно, стандартный теплообменный аппарат выбран верно.

. Гидравлический расчет

Ориентировочное значение условного прохода штуцера:

Скорость жидкости в трубах:

_тр=G₁/(S_тр*p).

Тогда:=0.231м._тр= 0.048 м/с.

Коэффициент трения λтр зависит как от режима течения потока, так для турбулентного режима движения жидкости:

λ_тр=0,11*(10/Re+1.16*∆/d)^0.25.

Потеря давления на трение в трубах теплообменника:

∆p_тр=λ_тр*(L/d_вн)*(pw_тр)/2.

Скорость жидкости при прохождении штуцеров:

_тр.ш.=(G*z)/(π*d_тр²*p).

Тогда:

λ_тр=0.1914;

∆p_тр= 0,73 Па;_тр.ш.= 0,023 м/с.

Потеря давления:

∆p_i=ζ_i*(p*w_i²)/2.

Потеря давления при выходе потока из штуцера в распределительную камеру теплообменника:

∆p₁=0,0003 Па.

Потеря давления при входе потока из распределительной камеры в трубы теплообменника:

∆p₂= 0.0006 Па.

Потеря давления при выходе потока из труб:

∆p₃= 0,0017 Па.

Потеря давления при входе потока в штуцер теплообменника:

∆p₄= 0,0001 Па.

Общее сопротивление трубного пространства:

∆p=∆p₁+z*(∆p₂+∆p_тр+∆p₃)+∆p₄.

Тогда:

∆p=2,93 Па.

Так как ∆p_{допустимое}>∆p, то можно считать, что теплообменник для охлаждения паров ацетона водой выбран верно.

3. Расчет и выбор насоса

В промышленности широко применяются лопастные (центробежные, осевые, вихревые) и обычные (поршневые, шестеренчатые, винтовые и др.) насосы. Выбор типоразмера насоса осуществляется по значениям расхода G перемещающейся жидкости и преодолеваемого напора H:

=∆p/(p*g)+H_z+h_п.

Затрачиваемая на перемещение жидкости мощность:

_п=G*g*H.

Мощность на валу насоса:

_н=N_п/(η_пер*η_н).

Мощность двигателя:

_дв=N_н/η_дв.

Мощность двигателя с запасом прочности:

=N_дв*β.

Тогда:=4,2м;_п=328 Вт;_н=364 Вт;_дв= 467.2 Вт;= 934.4.

По рассчитанным данным в литературе выбираем стандартный насос для обеспечивающей жидкости: ОГ6-15.

4. Механический расчет

Площади сечений трубок и кожуха:

_т=π*(d-σ_т)*σ_т*n;_к= π*(D+σ_к)*σ_к.

Растягивающие и сжимающие усилия:

P_т’=P_к’=(α_т*(t_т-t_к)*E)/(1/s_т+1/S_к);_т=(α₁*t_ср+α₂*θ_ср)/(α₁+α₂).

Тогда:_т=0.14м;_к=0.075м;

P_т’=P_к’=2.34 мПа;_т=34.2°С.

Давление в аппарате:

_т’’=π/4*n*d²*P_т;_к’’=π/4*(D²-π*d_в²)*P_к.

Тогда:_т’’=0.085 МПа;_к’’=0.17 МПа.

Напряжения, возникающие в трубках и кожухе теплообменника:

σ_т=(P_т’+P_т’’)/S_т;

σ_к=(P_к’+P_к’’)/S_к.

Тогда:

σ_т=17.3 мПа;

σ_к=33.4 мПа.

Так как σ_расч<σ_доп, то механический расчет и выбор стандартного теплообменника можно считать верным.

5. Специальный вопрос

Задание: предложить и обосновать расчетами мероприятия по снижению гидравлического сопротивления Δр на 10, (15, 20)%.

Для снижения гидравлического сопротивления в теплообменнике может быть достаточно сократить количество ходов теплообменника, если такое возможно. Наиболее подходящий теплообменный аппарат, указанный в литературе с меньшим числом ходов:=1000мм; L=600мм; n=718; d=25*2; F=338м².

Но в данном случае запас площади поверхности нового теплообменника будет составлять:

(338-285)/285=18,5%

И как следствие данный теплообменник нежелателен для применения.

Также возможно понизить скорость подачи сырья:

∆p= ζ*(p*w2)/2.

Тогда:

∆p= 0,5*(100*6,7²)/2=1122,5 Па;

∆p= 0,5*(100*6²)/2=900 Па.

Но это скажется на количестве поданного сырья.

Также возможно увеличить сечение труб, что видно из формулы расчета:

Но это также отобразиться на всем процессе теплообмена.

Если же величина ∆р значительно превышает допустимую, то возможно принять два параллельно включенных по данному теплоносителю теплообменника с тем, чтобы возможно было уменьшить расчетный ∆Р до величины не выше допустимой.

Вывод

теплообменник расчет гидравлический механический

В ходе приближённых вычислений площадь поверхности теплообмена составила F=306,1 м² при коэффициенте теплопередачи К=223,9 Вт/(м²*К).

По каталогу был выбран кожухотрубчатый теплообменник с поверхностью теплообмена F=318 м².

Запас площади теплообмена для нашего теплообменника составило 11,58%, что укладывается в допустимые значения.

Из гидравлического расчета следует, что ΔР_доп≥Δp, а это означает, что теплообменник выбран верно.

Механический расчет показал, что растягивающие усилия не превышают допустимых и, как следствие, выбранный теплообменник не нуждается в дополнительном подборе компенсатора.

Список литературы

1.   Машины и аппараты химических производств: Учебник для вузов / И.И. Поникаров и др. - М.: Машиностроение, 1989. - 368с.

2.      Машины и аппараты химических производств: Примеры и задачи. Учебное пособие для студентов вузов/ И.В. Доманский и др. Под общей ред. В.Н. Соколова. - Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние., 1982. - 364с.

.        Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию / Г.С.Борисов и др. Под ред. Ю.И. Дытнерского, 2-е изд., перераб. и дополн. - М.: Химия, 1991. - 496с.

.        Учебное пособие «Курсовое проектирование по процессам и аппаратам химической технологии. Теплообменные аппараты и ректификационные установки» Ю. Я. Печенегов, Р. И. Кузьмина.