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:
, (1)
где F – площадь теплопередающей поверхности, м2;
Q – тепловая нагрузка аппарата, Вт;
K – коэффициент теплопередачи, ;
– 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]:
, (2)
где Gхол – массовый расход воды, кг/с, ;
Схол – средняя удельная теплоемкость воды, Дж/(кгЧК);
Тк, Тн – конечная и начальная температуры воды, К;
– коэффициент, учитывающий потери теплоты в окружающую среду при нагревании, = 1,05.
Средняя температура воды:
0С ,
Этому значению температуры соответствует
.
Тогда
Вт,
с учетом потери
Вт.
1.2 Определение расхода пара и температуры его насыщения
Расход пара определим из уравнения:
, (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
кг/с.
1.3 Расчет температурного режима теплообменника
Цель расчета – определение средней разности температур и 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
0С 0С
Так как
, то 0С.
Температура пара в процессе конденсации не изменяется, поэтому tср1 = Тп = 191,7 0С, а средняя температура воды : tср 2 = tср 1-tср = 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
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)
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:
, (4)
где n – количество труб в аппарате, шт.;
d – внутренний диаметр труб, м;
G – массовый расход воды, кг/с;
- динамическая вязкость, Па·с;
Re – число Рейнольдса.
Из формулы (4):
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:
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 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]:
, (5)
где G – массовый расход конденсирующегося пара, G = 6,24·10-1 кг/с;
n – число труб в аппарате с наружным диаметром d, шт;
– теплопроводность, плотность и вязкость конденсата при температуре конденсации.
По формуле (5)
.
Режим движения воды в трубках аппарата:
– 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]:
, (6)
где – критерий Нуссельта;
– критерий Рейнольдса;
– критерий Прандтля;
– отношение, учитывающее влияние направления теплового потока (нагревание или охлаждение) на интенсивность теплоотдачи.
Отношение принимаем равным 1, тогда по формуле (6):
, а
.
Принимаем тепловую проводимость загрязнений со стороны греющего пара [2, табл. ХХХI]:
,
а со стороны воды [2, табл. ХХХI]:
,
,
.
Тогда
Или
,
где – сумма термических сопротивлений всех слоев, из которых состоит стенка, включая слои загрязнений.
Так как теплообменная трубка тонкостенная (dвн > ), то для расчета коэффициента теплопередачи применяют формулу для плоской стенки
, (7)
где – коэффициенты теплопередачи со стороны пара и воды,
;
– сумма термических сопротивлений.
По формуле (7)
.
Расчетная площадь поверхности теплообмена по формуле (1):
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 = 1000С.
Расчет коэффициента теплоотдачи при конденсации пара с учетом температуры стенки на пучке вертикальных труб будем вести по формуле [1, с. 24]:
, (8)
где ,,, - плотность, теплопроводность, удельная теплота конденсации, динамическая вязкость пленки при ; - разность температур стенки и конденсирующегося пара;
- длина труб.
Температура пленки: 0С.
Для = 16,5 0С:
= 59,06·10-2 Вт/(м·К);
= 998,7 кг/м3;
= 2460,85 ·103 Дж/кг; = 1108 ·10-6 Па·с.
По формуле (8):
Вт/(м2·К).
Удельная тепловая нагрузка со стороны пара:
Рассчитываем температуру стенки со стороны воды [1, с.16]:
, (9)
По формуле (9):
0С.
При этой температуре для воды [2, табл. ХXXIX]
(Рrст2 )І= 2,48.
С учетом температуры стенки
;
.
Удельная тепловая нагрузка со стороны воды:
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: 0С, тогда = 133-105 = 28 0С
Для = 14 0С:
= 58,46·10-2 Вт/(м·К);
= 999,2 кг/м3;
= 2467,6 ·103 Дж/кг;
= 1186 ·10-6 Па·с.
По формуле (7):
Вт/(м2·К).
Удельная тепловая нагрузка со стороны пара:
Рассчитываем температуру стенки со стороны воды по формуле (9):
0С.
При этой температуре для воды [2, табл. ХXXIX]
(Рrст2 ) = 2,158.
С учетом температуры стенки:
;
.
Удельная тепловая нагрузка со стороны воды:
И во втором приближении разница между (q1)ІІ и (q2)II более 5%
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: 0С, тогда = 133-104,5 = 28,85 0С
Для = 14,425 0С:
= 58,56·10-2 Вт/(м·К);
= 999,15 кг/м3;
= 2466·103 Дж/кг;
= 1173 ·10-6 Па·с.
По формуле (7):
Вт/(м2·К).
Удельная тепловая нагрузка со стороны пара:
Рассчитываем температуру стенки со стороны воды по формуле (9):
0С.
При этой температуре для воды [2, табл. ХXXIX]
(Рrст2 )= 2,1.
С учетом температуры стенки:
;
.
Удельная тепловая нагрузка со стороны воды:
Сравнивая (q1)III с (q2)ІІІ, приходим к выводу, что отклонение
т.е. не превышает 5%, поэтому расчет можем считать законченным.
Удельные тепловые потоки по обе стороны стенки равны (рис.2)
Рис. 2 Схема процесса теплопередачи
По формуле (7) коэффициент теплопередачи:
.
Площадь поверхности аппарата определяем по формуле (1):
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 гр. А ГОСТ 15122-79.
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]
, (11)
где с – прибавка для стальных трубных решеток, мм, с = 5 мм;
dн – наружный диаметр теплообменных трубок, мм, dн = 25 мм.
По формуле (11):
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.
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).
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).
Рис.6 Конструктивная схема поперечных перегородок
Диаметр отверстий для труб в перегородках 28 мм [1. с. 57].