Методичка для Курсовой(теплотехника). Методические указания по курсовому проектированию для студентов специальностей 090600, 090700, 170200, 250100, 250400, 320700, 330500
 Скачать 2.82 Mb.
|
 Рис. 7. Теплообменные трубы с турбулизаторами: а - шнековые завихрители; б - ленточные завихрители; в - диафрагмовые трубы с вертикальными канавками; г - диафрагмовые трубы с наклонными канавками; д - проволочные турбулизаторы; е - турбулизирующие вставки В кожухотрубных теплообменных аппаратах теплоноситель, поступая в межтрубное пространство, в силу конструктивных особенностей делится на несколько потоков (рис. 8):
Разделение потока теплоносителя, поступающего в межтрубное пространство, на несколько потоков значительно усложняет гидродинамическую картину движения теплоносителя по сравнению с поперечным омыванием пучков труб и оказывает существенное влияние как на конвективный теплообмен, так и на падение давления теплоносителя. Распределение потоков в межтрубном пространстве зависит от конструктивных характеристик теплообменного аппарата, оптимизация которых является главной задачей при создании новых теплообменников.   Рис. 8. Схема потоков теплоносителя в межтрубном пространстве кожухотрубного теплообменника: A - основной поперечный поток; В - перетоки в щелях между отверстиями в перегородках и трубами; C - перетоки между кромкой перегородки и кожухом; D - байпасный поток через зазор между пучком труб и кожухом Учет распределения потоков теплоносителя в межтрубном пространстве необходим, так как в противном случае возможны значительные ошибки при определении среднего коэффициента теплоотдачи и падения давления теплоносителя p, которые могут составить от 50 до 150 %. В зависимости от совершенства конструкции теплообменного аппарата меняется и распределение потоков в межтрубном пространстве. При турбулентном режиме течения основной поток (A) не превышает 40 % от всего потока теплоносителя, а при ламинарном – 25 %. II. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ И ВЫБОР КОНСТРУКЦИИ ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА Целью теплового расчета теплообменного аппарата является выбор стандартного теплообменника при заданных массовых расходах (G1, G2) и температурных режимах теплоносителей (t1, t1,t2,t2). Конструктивный тепловой расчет кожухотрубного теплообменного аппарата состоит из двух частей:
Первая часть конструктивного теплового расчета состоит из следующих этапов:
стве) и термическим сопротивлениям стенки теплообменных труб и загрязнений;
Перед расчетом критериев, определяющих выбор теплообменника, следует определить: какой из теплоносителей движется в трубном, а какой в межтрубном пространстве. Выбор проводится по следующим рекомендациям:
При выборе типа теплообменного аппарата необходимо учитывать следующие особенности эксплуатации теплообменников:
После выбора типа теплообменного аппарата, по справочной литературе определяются теплофизические свойства горячего и холодного теплоносителей (cpm , , , , Pr) [4, 7]. Эти величины выбираются из таблиц или рассчитываются по предлагаемым зависимостям при средних арифметических температурах теплоносителей. Тепловая мощность теплообменного аппарата Q при заданных температурных режимах (t1, t1,t2,t2) и расходах (G1, G2) теплоносителей рассчитывается по формуле   , (1)где η – коэффициент, учитывающий тепловые потери в окружающую среду, η = 0,95 – 0,98 [2, 11]. Cредняя разность температур между теплоносителями m рассчитывается по уравнению Грасгофа для противоточной схемы движения теплоносителей m=  , (2)где Θ1 =t1 - t2 , а Θ2 = t1 -t2 . Коэффициент теплопередачи от горячего к холодному теплоносителю определяется по соотношению  , (3)где коэффициенты теплоотдачи в трубном αтр и межтрубном αмтр пространстве и термические сопротивления загрязнений Rз.тр = (δ/λ)з.тр, Rз.мтр = (δ/λ)з.мтр на внутренней и наружной поверхности теплообменных труб выбираются в пределах рекомендуемых диапазонов из справочных таблиц 1 - 4. Таблица 1 Ориентировочные значения коэффициента теплоотдачи α в теплообменной аппаратуре
Продолжение табл. 1
Таблица 2 Термические сопротивления загрязнений на поверхностях ТА, создаваемые охлаждающей водой
Таблица 3 Термические сопротивления загрязнений на поверхности теплообмена кожухотрубных теплообменников промышленного назначения
Таблица 4 Термические сопротивления загрязнений на поверхности теплообмена ТА установок химических и нефтехимических производств
Материал теплообменных труб выбирается в зависимости от термобарических параметров теплоносителей и их агрессивности. Значения коэффициента теплопроводности для ряда марок сталей представлены в табл. 5. Толщина стенки теплообменных труб кожухотрубных ТА ст составляет от 1,5 до 3,0 мм. Таблица 5 Коэффициент теплопроводности сталей λ, Вт/(м.К) [11]
Одним из критериев выбора кожухотрубного теплообменного аппарата является расчетная площадь поверхности теплообмена, которая определяется по формуле  . (4)Другим критерием, определяющим выбор серии кожухотрубных теплообменников, являются диапазоны площадей проходных сечений трубного fтр и межтрубного fмтр пространства. Приемлемые диапазоны площадей проходных сечений трубного и межтрубного пространства находятся с использованием рекомендуемых диапазонов скоростей теплоносителей из соотношений:  ;  , (5)где wmin и wmax – минимальная и максимальная рекомендуемые скорости потоков теплоносителей (табл. 6); ρ и G – плотность и массовый расход теплоносителя. Таблица 6 Рекомендуемые скорости теплоносителей в ТА
Выбираемый теплообменный аппарат должен быть способен обеспечить заданные температурные режимы теплоносителей. Это условие выполняется только в случае, если индекс противоточности выбранной конструкции теплообменного аппарата P при заданных температурных режимах и водяных эквивалентах теплоносителей больше или равен минимальному индексу противоточности Pmin PPmin . (6) Минимальный индекс противоточности определяется только заданными температурами теплоносителей на входе и выходе из ТА и рассчитывается по формуле  . (7)Порядок выбора типа, конструкции и размеров теплообменного аппарата имеет следующую последовательность: 1. По термобарическим параметрам выбирается тип аппарата; 2. По рекомендациям определяется: какой теплоноситель течет в трубном, а какой в межтрубном пространстве; 3. По диапазону площадей проходных сечений трубного fтр.min – fтр.max и межтрубного fмтр.min – fмтр.max пространства, а также по величине расчетной площади поверхности теплообмена Fрасч выбирается теплообменный аппарат. При этом выбранный теплообменный аппарат должен иметь площади проходного сечения трубного fтр и межтрубного fмтр пространства в оптимальном диапазоне значений проходных сечений fmin f fmax , (8) а его площадь поверхности теплообмена должна быть близка к расчетной Fст Fрасч . (9) Желательно, чтобы выбранный теплообменник находился в середине серии с одинаковыми проходными сечениями трубного и межтрубного пространства (Приложение II, III). Это даст возможность, после уточнения значений коэффициента теплопередачи k и средней разности температур Θm, изменять площадь поверхности теплообмена аппарата за счет изменения длины теплообменных труб как в большую, так и в меньшую сторону, без изменения проходных сечений в трубном и межтрубном пространстве. 4. Далее следует определить истинный индекс противоточности P выбранного теплообменного аппарата и проверить условие, при котором аппарат способен обеспечить заданные температурные режимы теплоносителей PPmin . В одноходовых теплообменных аппаратах может осуществляться либо прямоточная, либо противоточная схема движения теплоносителей. Для прямоточной схеме индекс противоточности равен P = 0, а при противотоке - P = 1. Для более сложных схем определение индекса противоточности P выбранного теплообменного аппарата начинается с расчета характеристик, от которых, наряду со схемой движения теплоносителя, зависит значение индекса  ,   . (10)По значениям этих характеристик с учетом схемы движения теплоносителей (число ходов по трубному и межтрубному пространству) из графиков (Приложение I) определяется t – коэффициент, учитывающий различие между средней логарифмической разностью температур между теплоносителями для противоточной схемы движения mL и действительной средней разностью температур m. Затем рассчитывается действительная средняя разность температур m = t mL . (11) Характеристическая разность температур T определяется с использованием метода последовательного приближения из следующего соотношения:  , (12)где ma – средняя арифметическая разность температур между теплоносителями в теплообменном аппарате,  . (13)Уравнение (12) получено из уравнения Н.И. Белоконя для сложных схем движения теплоносителей. Индекс противоточности для выбранной схемы теплообменного аппарата, заданных температурных режимов и водяных эквивалентов теплоносителей определяется также по уравнению Н.И. Белоконя для характеристической разности температур  . (14)Для выбранного теплообменного аппарата выписываются из приложения II, III его основные конструктивные характеристики:
. 2.2. Расчет коэффициента теплопередачи и окончательный выбор ТА Перед окончательным выбором теплообменного аппарата необходимо провести расчет коэффициента теплопередачи k по уравнению (3) и, с учетом результатов расчета, по соотношению (4) определить расчетную площадь поверхности теплообмена Fрасч . Для определения коэффициента теплопередачи необходимо рассчитать коэффициенты теплоотдачи в трубном αтр и межтрубном αмтр пространстве. Коэффициент теплоотдачи в трубном пространстве αтр находится из соотношения [1, 2, 5]  , (15)где Re,Pr,Gr – числа подобия теплоносителя, движущегося в теплообменных трубах ТА, при средней арифметической температуре потока; Prс - число Прандтля теплоносителя, движущегося в теплообменных трубах ТА, при средней температуре стенки труб; тр – коэффициент теплопроводности теплоносителя, движущегося в теплообменных трубах ТА; dн , ст – наружный диаметр и толщина стенки теплообменных труб. Средняя скорость теплоносителя в трубном пространстве выбранного стандартного теплообменного аппарата wтр , необходимая для определения числа Рейнольдса Reтр , рассчитывается по формуле  , (16)где Gтр , тр – массовый расход и плотность теплоносителя, движущегося в трубном пространстве; fтр - площадь проходного сечения одного хода по трубам выбранного стандартного ТА. Значения коэффициентов в уравнении (15) представлены в табл. 7. Таблица 7 Значения коэффициентов в уравнении (15)
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||