Расчетно-графическая работа - Тепловой и гидравлический расчет кожухотрубчатого теплообменника

Ромин теплообменник.dwg

Расчетно-графическая работа по курсу "Теплопередача"
Теплообменник кожухотрубчатый горизонтальный
Технические характеристики
Поверхность теплообмена
Технические требования
Аппарат подлежит действию правил Госгортехнадзора
испытании и поставке аппарата
должны выполняться требования:
а) ГОСТ 12.2.003-74"Оборудование производственное.Общие требования безопасности
б) ГОСТ 26-261-79"Сосуды и аппараты стальные сварные.Техн.требования
Сварные швы в объеме 100% контролировать рентгенопросвечиванием
Чертеж разработан на основании ГОСТ 14246-79

Ромин ТМО.doc

Министерство образования Республики Беларусь
Белорусский национальный технический университет
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ
Кафедра “ПРОМЫШЛЕННАЯ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА”
РАСЧЁТНО-ГРАФИЧЕСКАЯ РАБОТА
ТЕПЛОВОЙ И ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЁТ КОЖУХОТРУБЧАТОГО ТЕПЛООБМЕННИКА
по дисциплине “Теплопередача”
Поверочный расчёт кожухотрубчатого теплообменного аппарата
Гидравлический расчёт теплообменного аппарата .
Общее количество листов: 13
Классификация теплообменных аппаратов
Теплообменники – это устройства в которых теплота переходит от . одной среды к другой.
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:
Одним из наиболее важных и часто используемых в технике процессов является теплообмен между теплоносителями. Например получение пара при заданных параметрах в современном парогенераторе основано на процессе передачи теплоты от одного теплоносителя к другому. В конденсаторах и градирнях тепловых электростанций воздухоподогревателях доменных печей и многочисленных теплообменных устройствах химической промышленности основным рабочим процессом является процесс теплообмена между теплоносителями.
По принципу действия теплообменные аппараты могут быть разделены на:
Выделяются еще теплообменные устройства в которых нагрев или охлаждение теплоносителя осуществляются за счет внутренних источников теплоты.
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. Ту часть теплообменника в которой происходит процесс передачи теплоты называют теплопередающей матрицей. Подвод теплоносителей к матрице и отвод их осуществляется по входному и выходному коллекторам. В зависимости от направления движения теплоносителей рекуперативные теплообменники могут быть прямоточными при параллельном движении теплоносителей в одном направлении противоточными при параллельном встречном движении и перекресточными при взаимно перпендикулярном движении.
В матрице теплоносители могут содержать совершать один или несколько ходов. В соответствии с этим теплообменники называют например одноходовым по горячему теплоносителю и двухходовым по холодному теплоносителю. При увеличении количества ходов возрастает скорость движения теплоносителя что ведет к интенсификации теплообменника.
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 2300 то течение является ламинарным.
- развитое турбулентное течение в технических трубах устанавливается при Re>Re2 критического приблизительно равным 10000.
- течение при Re=2300÷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 s1d и s2d называемых соответственно относительными поперечным и продольным шагами.
Физическое описание кожухотрубчатого теплообменника.
Кожухотрубчатые теплообменники - аппараты выполненные из пучков труб собранных при помощи трубных решеток и 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:
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.
Кожухотрубные аппараты выполняются с горизонтальным и вертикальным расположением корпуса. 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.
Выполнить поверочный тепловой и гидравлический расчёты нормализованного кожухотрубчатого теплообменного аппарата по ГОСТ 14245- 14246- 14247-79 предназначенного для нагрева масла типа МК в количестве G2=6 кгс от начальной температуры до . Нагрев осуществляется водой с начальной температурой и конечной .
Поверочный расчёт кожухотрубчатого теплообменного аппарата
Определение тепловой нагрузки :
Определим расход воды из уравнения теплового баланса :
Определение среднелогарифмической разности температур :
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.
По рекомендации МВФ ГродНИИ оптимальные скорости для трубного пространства 1==25 мс для межтрубного пространства 05==12 мс. На основании этих рекомендаций принимаем скорость масла = 05 мс а скорость воды в трубах =1 мc.
Находим ориентировочные величины проходных сечений трубного и межтрубного пространства:
Sт = GВ () = 154 (9171) = 00017 м2;
Sмтр = GМ () = 6 (862105) = 0014 м2;
Примем ориентировочный коэффициент теплопередачи
Ориентировочное значение поверхности теплообмена :
Число труб определим из формулы :
Отсюда n = (4ST) () = 541 ; принимаем n =6;
Выбираем теплообменник по табл. 2.4.Принимаем следующие параметры:
площадь сечения одного хода по трубам – 0012 м2;
площадь самого узкого сечения в межтрубном пространстве – 0020 м2;
Уточнённый расчёт поверхности теплопередачи :
Коэффициент теплоотдачи воды:
23 Re08Pr04 = 131302
Коэффициент теплоотдачи масла:
4 Re05Pr036 = 36312
Термические сопротивления .
Сумма термических сопротивлений стенки и загрязненной воды равна:
Коэффициент теплопередачи равен
С учётом поправки ориентировочная поверхность составит :
Из выбранного ряда подходит теплообменник с трубами длиной 60 м и номинальной поверхностью
Гидравлический расчёт теплообменного аппарата
Скорость жидкости в трубах :
n = (4ST) () =(40012)(3140022)=39 ;
- относительная шероховатость труб;
- высота выступов шероховатостей в расчётах можно принять =002
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 :
Число сегментных перегородок x =22 .
Диаметр штуцеров к кожухе :
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 22 поворотов через сегментные перегородки и 23 сопротивление трубного пучка при его поперечном обтекании
Сопротивление межтрубного пространства равно :
В результате проведенного проверочного и гидравлического расчетов кожухотрубчатого теплообменника были определены следующие технические параметры:
Площадь поверхности теплообменникам2 46
Сопротивление трубного пространстваПа 375912 Сопротивление межтрубного пространстваПа 139367
Наружный диаметр кожухамм 426
Внутренний диаметр кожухамм 400
Наружный диаметр стенки теплообменных трубмм 20
Толщина стенки теплообменных трубмм 2
Длина теплообменных трубм 6
Е.А. Краснощеков А.С. Сукомел
Задачник по теплопередаче. Минск 1969 “Энергия”
“Аэродинамический расчет котельных установок”
Энергоиздат 1969 г. ;
И.Т. Швец М.А. Кондак Н.Ф. Кираковский и др.
“Общая теплотехника”. Минск 1961
Исаченко В.П. “ Теплопередача “ : Энергия 1981 г. ;