Xreferat.com » Рефераты по физике » Расчет кожухотрубного теплообменника

Расчет кожухотрубного теплообменника

1. Тепловой расчет


Цель теплового расчета – определение необходимой площади теплопередающей поверхности, соответствующей при заданных температурах оптимальным гидродинамическим условиям процесса и выбор стандартизованного теплообменника [1].

Из основного уравнения теплопередачи:


Расчет кожухотрубного теплообменника, (1)


где F – площадь теплопередающей поверхности, м2;

Q – тепловая нагрузка аппарата, Вт;

K – коэффициент теплопередачи, Расчет кожухотрубного теплообменника;

Расчет кожухотрубного теплообменника – средний температурный напор, К.


1.1 Определение тепловой нагрузки аппарата


В рассматриваемой задаче нагревание воды осуществляется в горизонтальном теплообменнике теплотой конденсирующего пара, поэтому тепловую нагрузку определим по формуле [6]:


Расчет кожухотрубного теплообменника, (2)


где Gхол – массовый расход воды, кг/с, Расчет кожухотрубного теплообменника;

Схол – средняя удельная теплоемкость воды, Дж/(кгЧК);

Тк, Тн – конечная и начальная температуры воды, К;

Расчет кожухотрубного теплообменника – коэффициент, учитывающий потери теплоты в окружающую среду при нагревании, Расчет кожухотрубного теплообменника = 1,05.

Средняя температура воды:


Расчет кожухотрубного теплообменника 0С ,


Этому значению температуры соответствует


Расчет кожухотрубного теплообменника

Расчет кожухотрубного теплообменника.


Тогда


Расчет кожухотрубного теплообменникаВт,


с учетом потери


Расчет кожухотрубного теплообменникаВт.


1.2 Определение расхода пара и температуры его насыщения


Расход пара определим из уравнения:


Расчет кожухотрубного теплообменника, (3)


где D – расход пара, кг/с;

r – скрытая теплота конденсации пара, Дж/кг.

По [2, прил. LVII] при Рп = 0,3 МПа, r = 2171Ч103 Дж/кг, Тк = 133 0С.

Из формулы (3) следует, что

Расчет кожухотрубного теплообменника кг/с.


1.3 Расчет температурного режима теплообменника


Цель расчета – определение средней разности температур Расчет кожухотрубного теплообменникаи средних температур теплоносителей tср1 и tср2. Для определения среднего температурного напора составим схему движения теплоносителей.


Тн = 191,7 0С Пар Тк = 191,7 0С

tк = 96 0С Вода tн = 40 0С

Расчет кожухотрубного теплообменникаРасчет кожухотрубного теплообменника


Так как


Расчет кожухотрубного теплообменника, то Расчет кожухотрубного теплообменника 0С.


Температура пара в процессе конденсации не изменяется, поэтому tср1 = Тп = 191,7 0С, а средняя температура воды : tср 2 = tср 1-Расчет кожухотрубного теплообменникаtср = 191,7-123,7=68 0С.


1.4 Выбор теплофизических характеристик теплоносителей


Теплофизические свойства теплоносителей определяем при их средних температурах и заносим в таблицу 1.


Таблица 1 Теплофизические свойства теплоносителей

Расчет кожухотрубного теплообменника


1.5 Ориентировочный расчет площади поверхности аппарата. Выбор конструкции аппарата


Ориентировочным расчетом называется расчет площади теплопередающей поверхности по ориентировочному значению коэффициента теплопередачи К, выбираемому из [1, табл. 1.3]. Принимаем К= 800 Вт/(м2ЧК), поскольку теплота передаётся от конденсирующего пара к воде, тогда ориентировочное значение площади аппарата по формуле (1)


Расчет кожухотрубного теплообменника м2.

Так как в аппарате горячим теплоносителем является пар, то для обеспечения высокой интенсивности теплообмена со стороны воды, необходимо обеспечить турбулентный режим движения и скорость течения воды в трубках аппарата. Принимаем число Рейнольдса Re = 12000.

Для изготовления теплообменника выберем трубы стальные бесшовные диаметром 25х2 мм.

Необходимое число труб в аппарате n, обеспечивающее такую скорость, определим из уравнения:


Расчет кожухотрубного теплообменника, (4)


где n – количество труб в аппарате, шт.;

d – внутренний диаметр труб, м;

G – массовый расход воды, кг/с;

Расчет кожухотрубного теплообменника - динамическая вязкость, Па·с;

Re – число Рейнольдса.

Из формулы (4):


Расчет кожухотрубного теплообменника шт.


Такому числу труб n = 39 шт. и площади поверхности аппарата F = 18,3 м2 по [1, табл. 1.8] ГОСТ 15118-79 и ГОСТ 15122-79 наиболее полно отвечает кожухотрубчатый двухходовой теплообменник диаметром 325 мм, с числом труб 28 в одном ходе, длиной теплообменных труб 4000 мм и площадью поверхности F = 17,5 м2.

Проверим скорость движения воды в трубах аппарата:


Расчет кожухотрубного теплообменника м/с.


Значение скорости находится в рекомендуемых пределах, поэтому выбор конструкции аппарата закончен.


1.6 Приближенный расчет коэффициентов теплоотдачи и коэффициента теплопередачи


Приближенным расчетом называется расчет коэффициентов Расчет кожухотрубного теплообменника и К по формулам, не учитывающим влияние температуры стенки теплопередающей поверхности на интенсивность теплоотдачи [1].

Коэффициент теплоотдачи при конденсации водяного пара на пучке вертикальных труб без учета температуры стенки рассчитывается по формуле [1, с. 24]:


Расчет кожухотрубного теплообменника, (5)


где G – массовый расход конденсирующегося пара, G = 6,24·10-1 кг/с;

n – число труб в аппарате с наружным диаметром d, шт;

Расчет кожухотрубного теплообменника – теплопроводность, плотность и вязкость конденсата при температуре конденсации.

По формуле (5)


Расчет кожухотрубного теплообменника Расчет кожухотрубного теплообменника.


Режим движения воды в трубках аппарата:

Расчет кожухотрубного теплообменника – турбулентный, так как Re>104.


Для расчета процесса теплоотдачи в закрытых каналах при турбулентном режиме движения и умеренных числах Прандтля (Рr < 80) рекомендуется уравнение [1, с. 23]:


Расчет кожухотрубного теплообменника, (6)


где Расчет кожухотрубного теплообменника – критерий Нуссельта;

Расчет кожухотрубного теплообменника – критерий Рейнольдса;

Расчет кожухотрубного теплообменника – критерий Прандтля;

Расчет кожухотрубного теплообменника– отношение, учитывающее влияние направления теплового потока (нагревание или охлаждение) на интенсивность теплоотдачи.

Отношение Расчет кожухотрубного теплообменника принимаем равным 1, тогда по формуле (6):


Расчет кожухотрубного теплообменника, а

Расчет кожухотрубного теплообменника.


Принимаем тепловую проводимость загрязнений со стороны греющего пара [2, табл. ХХХI]:


Расчет кожухотрубного теплообменника,

а со стороны воды [2, табл. ХХХI]:


Расчет кожухотрубного теплообменника,

Расчет кожухотрубного теплообменника,

Расчет кожухотрубного теплообменника.


Тогда


Расчет кожухотрубного теплообменника


Или


Расчет кожухотрубного теплообменника,


где Расчет кожухотрубного теплообменника– сумма термических сопротивлений всех слоев, из которых состоит стенка, включая слои загрязнений.

Так как теплообменная трубка тонкостенная (dвн > Расчет кожухотрубного теплообменника), то для расчета коэффициента теплопередачи применяют формулу для плоской стенки


Расчет кожухотрубного теплообменника , (7)


где Расчет кожухотрубного теплообменника – коэффициенты теплопередачи со стороны пара и воды,

Расчет кожухотрубного теплообменника;

Расчет кожухотрубного теплообменника– сумма термических сопротивлений.

По формуле (7)


Расчет кожухотрубного теплообменника.


Расчетная площадь поверхности теплообмена по формуле (1):


Расчет кожухотрубного теплообменника м2.


Площадь поверхности теплообмена выбранного теплообменного аппарата F=17,5 м2 , что отвечает требуемой поверхности, т.е. для выполнения уточненного расчета оставляем ранее выбранный в ориентировочном расчете аппарат.


1.7 Уточненный расчет коэффициентов теплоотдачи. Окончательный выбор теплообменного аппарата


Уточненным называется расчет коэффициентов теплоотдачи с учетом температуры стенки.

Расчет температуры стенки ведем методом последовательных приближений.

Первое приближение.

Задаемся значением температуры стенки со стороны пара, равным Расчет кожухотрубного теплообменника= 1000С.

Расчет коэффициента теплоотдачи при конденсации пара с учетом температуры стенки на пучке вертикальных труб будем вести по формуле [1, с. 24]:

Расчет кожухотрубного теплообменника , (8)


где Расчет кожухотрубного теплообменника,Расчет кожухотрубного теплообменника,Расчет кожухотрубного теплообменника,Расчет кожухотрубного теплообменника - плотность, теплопроводность, удельная теплота конденсации, динамическая вязкость пленки приРасчет кожухотрубного теплообменника ; Расчет кожухотрубного теплообменника - разность температур стенки и конденсирующегося пара;

Расчет кожухотрубного теплообменника- длина труб.

Температура пленки: Расчет кожухотрубного теплообменника0С.

Для Расчет кожухотрубного теплообменника = 16,5 0С:

Расчет кожухотрубного теплообменника = 59,06·10-2 Вт/(м·К);

Расчет кожухотрубного теплообменника = 998,7 кг/м3;

Расчет кожухотрубного теплообменника = 2460,85 ·103 Дж/кг; Расчет кожухотрубного теплообменника = 1108 ·10-6 Па·с.

По формуле (8):


Расчет кожухотрубного теплообменника Вт/(м2·К).


Удельная тепловая нагрузка со стороны пара:


Расчет кожухотрубного теплообменника


Рассчитываем температуру стенки со стороны воды [1, с.16]:


Расчет кожухотрубного теплообменника, (9)


По формуле (9):


Расчет кожухотрубного теплообменника 0С.

При этой температуре для воды [2, табл. ХXXIX]


(Рrст2 )І= 2,48.


С учетом температуры стенки


Расчет кожухотрубного теплообменника;

Расчет кожухотрубного теплообменника.


Удельная тепловая нагрузка со стороны воды:


Расчет кожухотрубного теплообменника


Сравнивая (q1)I с (q2)I, приходим к выводу, что 91571,5>>52088, поэтому расчет температуры стенки продолжаем, задаваясь другим значением температуры стенки со стороны пара.

Второе приближение

Задаемся температурой стенки со стороны пара (tст1)II = 105 0С.

Температура пленки: Расчет кожухотрубного теплообменника0С, тогда Расчет кожухотрубного теплообменника = 133-105 = 28 0С

Для Расчет кожухотрубного теплообменника = 14 0С:

Расчет кожухотрубного теплообменника = 58,46·10-2 Вт/(м·К);

Расчет кожухотрубного теплообменника = 999,2 кг/м3;

Расчет кожухотрубного теплообменника = 2467,6 ·103 Дж/кг;

Расчет кожухотрубного теплообменника = 1186 ·10-6 Па·с.

По формуле (7):


Расчет кожухотрубного теплообменника Вт/(м2·К).


Удельная тепловая нагрузка со стороны пара:


Расчет кожухотрубного теплообменника


Рассчитываем температуру стенки со стороны воды по формуле (9):


Расчет кожухотрубного теплообменника 0С.


При этой температуре для воды [2, табл. ХXXIX]


(Рrст2 ) = 2,158.


С учетом температуры стенки:


Расчет кожухотрубного теплообменника;

Расчет кожухотрубного теплообменника.


Удельная тепловая нагрузка со стороны воды:


Расчет кожухотрубного теплообменника


И во втором приближении разница между (q1)ІІ и (q2)II более 5%


Расчет кожухотрубного теплообменника


Расчет продолжаем, определяя tст1 графически по пересечению линий q1=f(tст1) и q2=f(tст2)

По найденному графически температуре (tст1)ІІІ=104,15С выполняем третий, проверочный расчет.

Температура пленки: Расчет кожухотрубного теплообменника0С, тогда Расчет кожухотрубного теплообменника = 133-104,5 = 28,85 0С


Для Расчет кожухотрубного теплообменника = 14,425 0С:

Расчет кожухотрубного теплообменника = 58,56·10-2 Вт/(м·К);

Расчет кожухотрубного теплообменника = 999,15 кг/м3;

Расчет кожухотрубного теплообменника = 2466·103 Дж/кг;

Расчет кожухотрубного теплообменника = 1173 ·10-6 Па·с.


По формуле (7):


Расчет кожухотрубного теплообменника Вт/(м2·К).


Удельная тепловая нагрузка со стороны пара:


Расчет кожухотрубного теплообменника


Рассчитываем температуру стенки со стороны воды по формуле (9):


Расчет кожухотрубного теплообменника 0С.


При этой температуре для воды [2, табл. ХXXIX]


(Рrст2 )= 2,1.


С учетом температуры стенки:


Расчет кожухотрубного теплообменника;

Расчет кожухотрубного теплообменника.


Удельная тепловая нагрузка со стороны воды:


Расчет кожухотрубного теплообменника


Сравнивая (q1)III с (q2)ІІІ, приходим к выводу, что отклонение


Расчет кожухотрубного теплообменника


т.е. не превышает 5%, поэтому расчет можем считать законченным.

Удельные тепловые потоки по обе стороны стенки равны (рис.2)


Расчет кожухотрубного теплообменника

Рис. 2 Схема процесса теплопередачи


По формуле (7) коэффициент теплопередачи:


Расчет кожухотрубного теплообменника.


Площадь поверхности аппарата определяем по формуле (1):


Расчет кожухотрубного теплообменника м2,


По [1, табл. 1.8] ГОСТ 15122-79 окончательно выбираем двухходовой аппарат диаметром d=325 мм, с числом труб n = 56 шт, с длиной теплообменных труб L = 4000 мм и F = 17,5 м2.


1.8 Обозначение теплообменного аппарата


Диаметр кожуха D = 325 мм по [1, с. 29] ГОСТ 9617-76.

Тип аппарата ТНВ – теплообменник с неподвижными трубными решётками вертикальный.

Условное давление в трубах и кожухе – 0,3 МПа.

Исполнение по материалу – М1.

Исполнение по температурному пределу – 0 – обыкновенное.

Диаметр трубы d= 25 мм.

Состояние поставки наружной трубы – Г – гладкая.

Длина труб L= 4,0 м.

Схема размещения труб – Ш – по вершинам равносторонних треугольников.

Число ходов – 2.

Группа исполнения – А.

Теплообменник Расчет кожухотрубного теплообменника гр. А ГОСТ 15122-79.


Расчет кожухотрубного теплообменника


Рис. 3. Вертикальный двухходовой кожухотрубчатый теплообменник

1-кожух; 2-трубная решетка; 3-трубка, 4-крышка, 5-распределительная камера


2. Конструктивный расчет


Цель конструктивного расчета теплообменных аппаратов с трубчатой поверхностью теплообмена – расчет диаметров штуцеров и выбор конструкционных материалов для изготовления аппаратов, трубных решеток, способ размещения и крепления в них теплообменных трубок и трубных решеток к кожуху; конструктивной схемы поперечных перегородок и расстояния между ними; распределительных камер, крышек и днищ аппарата; фланцев, прокладок и крепежных элементов; конструкций компенсирующего устройства, воздушников, отбойных щитков, опор и т.п [1, стр.42].


2.1 Выбор конструкционных материалов для изготовления аппарата


Материал выбирают по рабочим условиям в аппарате: температуре, давлениям, химическим свойствам теплоносителей и др. При выборе материала пользуемся рекомендациями [1, табл. 2.2] и ГОСТ 15199-79, 15120-79, 15121-79, в которых указаны материалы основных деталей в зависимости от группы материального исполнения.

Группа материального исполнения – М1. Материал: кожуха – В Ст3сп5 ГОСТ 14637-79; распределительной камеры и крышки – В Ст3сп5 ГОСТ 14637-89; трубы – сталь 10 ГОСТ 8733-87 [1, табл. 2.2].


2.2 Выбор трубных решеток, способ размещения и крепления в них теплообменных труб и трубных решеток к кожуху


Трубные решетки изготавливаются обычно цельными, вырезкой из листа. Для надежного крепления трубок в трубной решетки её толщина Sр(min) (в мм) должна быть не менее [1, с. 45]

Расчет кожухотрубного теплообменника, (11)


где с – прибавка для стальных трубных решеток, мм, с = 5 мм;

dн – наружный диаметр теплообменных трубок, мм, dн = 25 мм.

По формуле (11):


Расчет кожухотрубного теплообменника мм.


Толщину трубной решетки выбираем в зависимости от диаметра кожуха аппарата и уловного давления в аппарате [1, табл. 2.3]:


Sр = 27 мм.


Размещение отверстий в трубных решетках, их шаг регламентируется для всех теплообменников ГОСТ 9929-82.

По [1, с. 46] определяем шаг при размещении труб по вершинам равносторонних треугольников: при dн = 25 мм, t = 32 мм; отверстия под трубы в трубных решетках и перегородках размещают в соответствии с ГОСТ 15118-79 [1, табл. 2.6].

Размещение отверстий в трубных решетках выбранного аппарата показано на рис. 3.


Расчет кожухотрубного теплообменника

Рис. 4 Размещение отверстий в трубных решетках


Основные размеры для размещения отверстий под трубы 25 х 2 мм в трубных решетках выбираем по [1, табл. 2.7], диаметр предельной окружности, за которой не располагают отверстия под трубы:


D0 = 287 мм,

2R = 281 мм,


Число отверстий под трубы в трубных решетках и перегородках по рядам:

0 ряд – 6

1 ряд – 9

2 ряд – 8

3 ряд – 7

4 ряд – 4

Общее число труб в решетке – 56 шт.

Отверстия в трубных решетках выполняем гладкими. По ГОСТ 15118-79 под трубы с наружным диаметром 25 мм установлен диаметр 25,5 мм.

Крепление труб в трубной решетке должно быть прочным, герметичным и обеспечивать их легкую замену. Применяем для крепления труб способ развальцовки с последующей отбортовкой (рис. 4).


Расчет кожухотрубного теплообменника

Рис.5 Крепление труб в трубной решетке развальцовкой с последующей отбортовкой


Конец трубы, вставленной с минимальным зазором в отверстие трубной решетки, расширяется изнутри раскаткой роликами специального инструмента, называемого вальцовкой.

По [1, табл. 2.8] в соответствии с ГОСТ 26291-94 принимаем минимальную толщину стенки корпуса S = 6 мм.


2.3 Выбор конструктивной схемы поперечных перегородок и расстояния между ними. Отбойники


Применяем внутренние поперечные перегородки с диаметрально чередующимся в них сегментными средами для поддержания расстояния между трубами (рис. 6).


Расчет кожухотрубного теплообменника

Рис.6 Конструктивная схема поперечных перегородок


Диаметр отверстий для труб в перегородках 28 мм [1. с. 57].

Если Вам нужна помощь с академической работой (курсовая, контрольная, диплом, реферат и т.д.), обратитесь к нашим специалистам. Более 90000 специалистов готовы Вам помочь.
Бесплатные корректировки и доработки. Бесплатная оценка стоимости работы.

Поможем написать работу на аналогичную тему

Получить выполненную работу или консультацию специалиста по вашему учебному проекту

Похожие рефераты: