Кожухотрубчатые теплообменные аппараты

ВВЕДЕНИЕ

Развитие силовых установок во всех областях техники в настоящее время характеризуется резким увеличением мощности в одном агрегате, повышением эффективного к.п.д. установок. Успешное решение этих задач не возможно без применения совершенных теплообменных устройств.

В зависимости от назначения аппараты используют как нагреватели и как охладители. Теплообменники по способу передачи теплоты подразделяют на поверхностные, где отсутствует непосредственный контакт теплоносителей, а передача тепла происходит через твёрдую стенку, и смесительные где теплоносители контактируют непосредственно. Поверхностные теплообменники в свою очередь подразделяются на рекуперативные и регенеративные, в зависимости от одновременного или поочерёдного контакта теплоносителей с разделяющей их стенкой.

Рекуперативными называют теплообменники, в которых теплообмен между теплоносителями происходит через разделяющую их стенку. Они могут работать как в непрерывном, так и в периодических режимах. Большинство рекуперативных теплообменников работают в непрерывном режиме.

Кожухотрубчатые теплообменники получили наибольшее распространение, они предназначены для работы с теплоносителями жидкость-жидкость, газ-газ и представляют собой аппараты выполняемые из пучков труб. По количеству ходов все кожухотрубчатые теплообменники делят на: одна, двух, четырёх и шестиходовые.

Пластинчатые теплообменники имеют плоские параллельные поверхности теплообмена, которые образуют каналы для прохода теплоносителей. Такие теплообменники применяют для теплоносителей с примерно равными коэффициентами теплоотдачи. Для интенсивности процесса теплообмена и для увеличения площади поверхности теплообмена пластинам придают различный профиль.

Выполнение курсовой работы по курсу «Тепломассообмен» позволит закрепить знания по основным разделам дисциплины.

Курсовая работа состоит из расчётной части и графической и выполняется по следующим разделам:

1. Тепловой конструктивный расчёт рекуперативного кожухотрубчатого теплообменника.

2. Тепловой расчёт пластинчатого теплообменника.

ТЕПЛОВОЙ КОНСТРУКТИВНЫЙ РАСЧЕТ РЕКУПЕРАТИВНОГО КОЖУХОТРУБЧАТОГО ТЕПЛООБМЕННИКА

Кожухотрубчатые теплообменные аппараты могут использоваться в качестве теплообменников, холодильников, конденсаторов и испарителей. Теплообменники предназначены для нагрева и охлаждения, а холодильники для охлаждения (водой или другим нетоксичным, непожаро- и невзрывоопасным хладагентом) жидких и газообразных сред. Кожухотрубчатые теплообменники могут быть следующих типов: ТН – теплообменники с неподвижными трубными решетками; ТК – теплообменники с температурными компенсаторами на кожухе и жестко закрепленными трубными решетками; ТП – теплообменники с плавающей головкой, жестким кожухом и жестко закрепленной трубной решеткой; ТУ – теплообменники с U-образными трубками, жестким кожухом и жестко закрепленной трубной решеткой; ТС – теплообменники с сальником на плавающей головке, жестким кожухом и жестко закрепленной трубной решеткой (рисунок 1, Приложение 1).

Наибольшая допускаемая разность температур кожуха и труб для аппаратов типа Н может составлять 20–60 єС, в зависимости от материала кожуха и труб, давления в кожухе и диаметра аппарата.

Теплообменники и холодильники могут устанавливаться горизонтально или вертикально, быть одно-, двух-, четырех- и шестиходовыми по трубному пространству. Трубы, кожух и другие элементы конструкции могут быть изготовлены из углеродистой или нержавеющей стали, а трубы холодильников – из латуни. Распределительные камеры и крышки выполняют из углеродистой стали.

Данный расчет проводится для определения площади поверхности теплообмена стандартного водо-водяного рекуперативного теплообменника, в котором греющая вода поступает в трубы, нагреваемая вода – в межтрубное пространство.

Задание: Выполнить тепловой конструктивный расчет водоводяного рекуперативного подогревателя производительностью Q. Температура греющего теплоносителя на входе в аппарат єС. Температура нагреваемого теплоносителя на входе в теплообменник єС, изменение температуры нагреваемого теплоносителя в аппарате К. Массовый расход греющего теплоносителя – кг/с, нагреваемого теплоносителя – кг/с. Поверхность нагрева выполнена из труб диаметром мм.

Трубы в трубной решетке расположены по вершинам равносторонних треугольников. L – длина труб, предварительно принимается равной 3,0 м. Схема движения теплоносителей – противоток. Материал труб теплообменного аппарата выбирается в соответствии с вариантом. Потерями тепла в окружающую среду пренебречь.

1.1 Расчет количества передаваемого тепла

Уравнение теплового баланса для теплообменного аппарата имеет вид:

(1.1)

где – количество теплоты в единицу времени, отданное греющим теплоносителем, Вт;

– количество теплоты в единицу времени, воспринятое нагреваемым теплоносителем, Вт;

– потери теплоты в окружающую среду, Вт.

Так как по условию, то количество передаваемого тепла в единицу времени через поверхность нагрева аппарата, Вт, ([7]):

(1.2)

где и – средние удельные массовые теплоёмкости греющего и агреваемого теплоносителей, в интервале изменения температур от до и от до , соответственно, кДж/кг ЧК.

Температура нагреваемого теплоносителя на выходе из теплообменника, єС, ([7])

(1,3)

(єС)

Средняя температура нагреваемого теплоносителя, єС:

(1.4)

(єС)

По температуре определяется значения методом линейной интерполяции ([3])

(кДж/кг ЧК)

Количество теплоты в единицу времени, воспринятое нагреваемым теплоносителем, Вт, ([7]):

(1.5)

(кВт)

Методом линейной интерполяции определяется средняя удельная массовая теплоёмкость греющего теплоносителя при температуре

(кДж/кг ЧК)

Для условия, , определяется температура греющего теплоносителя на выходе из теплообменника, єС:

, (1.6)

(єС)

Средняя температура греющего теплоносителя, єС, ([7]):

(1.7)

(єС)

По температуре определяется значения . Уточняется количество теплоты, отданное греющим теплоносителем в единицу времени, Вт, ([7]):

(1.8)

(кВт).

Величина относительной погрешности, %

, % (1.9)

%.

1.2 Определение интенсивности процессов теплообмена

В основу расчёта коэффициентов теплоотдачи между теплоносителями и поверхностью стенки положены критериальные уравнения, полученные в результате обработки многочисленных экспериментальных данных и их обобщения на основе теории подобия.

1.2.1 Расчёт интенсивности теплоотдачи со стороны греющего теплоносителя

По среднеарифметическому значению температуры определяются значения физических свойств греющего теплоносителя:

– плотность, кг/мі, (кг/мі);

– кинематический коэффициент вязкости, мІ/с, (мІ/с);

– коэффициент теплопроводности, Вт/(м· К), (Вт/(м· К));

– критерий Прандтля, .

В первом приближении температура стенки, єС:

(1.10)

(єС)

По определяется

,

Критерий Рейнольдса для потока греющего теплоносителя, ([7]):

(1.11)

где – средняя скорость греющего теплоносителя, м/с, ([7], стр.6) , (м/с).

В результате сравнения вычисленного значения = с критическим числом = 2300 устанавливаем, что режим течения жидкости турбулентный и выбираем критериальное уравнение для расчета числа Нуссельта. Интенсивность теплоотдачи в круглых трубках зависит от режима движения теплоносителя.

При турбулентном режиме течения жидкости (Re > 2300) в круглых трубах и каналах число Нуссельта определяется по критериальной зависимости, ([7]):

(1.12)

Коэффициент теплоотдачи от горячего теплоносителя к стенке трубы, Вт/(мІ· К), ([7]):

(1.16)

(Вт/(мІ· К)).

1.2.2. Расчёт интенсивности теплоотдачи со стороны нагреваемого теплоносителя

По среднеарифметическому значению температуры определяются значения физических свойств нагреваемого теплоносителя ([3]):

– плотность теплоносителя, кг/мі, (кг/мі);

– кинематический коэффициент вязкости, мІ/с, (мІ/с);

– коэффициент теплопроводности, Вт/(м· К), (Вт/(м· К));

– критерий Прандтля,.

Число Рейнольдса для потока холодного теплоносителя, ([7]):

(1.17)

где – средняя скорость нагреваемого теплоносителя, м/с, ([7], стр. 8), (м/с).

В результате сравнения вычисленного значения с критическим числом = 1000 выбираем критериальное уравнение, по которому подсчитывается число Нуссельта.

При движении теплоносителя в межтрубном пространстве коэффициент теплоотдачи рассчитывают по уравнению ([7]):

(1.18)

.

За определяющий геометрический размер принимают наружный диаметр теплообменных труб.

Коэффициент теплоотдачи от стенок трубного пучка к нагреваемому теплоносителю, Вт/(мІ· К), ([7]):

(1.20)

(Вт/(мІ· К)).

1.3 Определение коэффициента теплопередачи

Если (/) < 2, то коэффициент теплопередачи для плоской поверхности теплообмена с достаточной точностью определяется по формуле, Вт/(мІ· К), ([7]):

(1.21)

(Вт/(мІ·К))

где , – термические сопротивления слоев загрязнений с обеих сторон стенки, (м2· К)/Вт ([1]), ((м2· К)/Вт), ((м2· К)/Вт);

– толщина стенки, м;

– коэффициент теплопроводности материала трубок ([7], таблица П.1.3), Вт/(м· К);

(Вт/(м· К));

Толщина стенки трубки вычисляется по формуле, ([7]):

(1.22)

(мм)

Вычисленное значение коэффициента теплопередачи сравнивается с ориентировочными значениями k для соответствующих теплоносителей ([1]).

1.4. Определение расчетной площади поверхности теплообмена

В аппаратах с прямо- или противоточным движением теплоносителей средняя разность температур потоков определяется как среднелогарифмическая между большей и меньшей разностями температур теплоносителей на концах аппарата, ([7]):

(1.23)

(єС);

где – большая разность температур, єС, (єС)(см. рис1),

– меньшая разность температур, єС, (єС)(см. рис1).

График изменения температур теплоносителей при противотоке, ([7], рис. П1.2)

Рис.1. Графическая зависимость для определения большей и меньшей разности температур теплоносителей

При сложном взаимном движении теплоносителей, например при смешанном и перекрестном токе в многоходовых теплообменниках, средняя разность температур теплоносителей определяется с учетом поправки ([7]):

(1.24)

(єС)

Для нахождения поправочного коэффициента вычисляются вспомогательные коэффициенты P и R ([7]):

(1.25)

(1.26)

По полученным значениям коэффициентов P и R определяем поправочный коэффициент ([5]).

Поверхностная плотность теплового потока, Вт/мІ, ([7]):

(1.28)

(Вт/мІ)

Из основного уравнения теплопередачи определяется необходимая поверхность теплообмена, мІ, ([7]):

(1.29)

(мІ)

По рассчитанной площади и заданному диаметру труб выбирается стандартный теплообменный аппарат ([1]):

Параметры кожухотрубчатого теплообменника сварной конструкции с неподвижными трубными решетками (ГОСТ 15118-79,ГОСТ 15120-79,ГОСТ 15122-79).

Таблица 1

Пересчитываются скорости движения и критерий Рейнольдса для греющего и нагреваемого теплоносителей, м/с, ([7]):

(1.30)

(м/с)

(1.31)

(м/с)

где – площадь сечения одного хода по трубам, м2, (м2)

– площадь сечения межтрубного пространства между перегородками, м2, (м2)

(1.32)

(1.33)

1.5 Конструктивный расчет теплообменного аппарата

Определяется число труб в теплообменнике, ([7]):

(1.34)

(шт.)

где – площадь поверхности теплообмена стандартного теплообменника, м2, (м2);

– длина труб одного хода стандартного теплообменного аппарата, м, (м).

По условию трубы по сечению трубной решетки расположены по вершинам равносторонних треугольников. Количество трубок, расположенных по сторонам большего шестиугольника, ([7]) :

(1.35)

(шт.)

Количество трубок, расположенных по диагонали шестиугольника, ([7]):

(1.36)

(шт.).

Число рядов труб, омываемых теплоносителем в межтрубном пространстве, приближенно можно принять равным 0,5 · b , т.е., ([7])

(1.37)

Для стандартных труб с наружным диаметром равным 20мм, размещенных по вершинам равносторонних треугольников, при развальцовке принимают шаг между трубами ([7], стр.12) :

t = (1,3