Телотехника. Кожухотрубный водоводяной теплообменник. Курсовая р. Расчёт теплообменного аппарата

• Название: Расчёт теплообменного аппарата
• Дата: 23.06.2021
• Размер: 0.57 Mb.
• Имя файла: Телотехника. Кожухотрубный водоводяной теплообменник. Курсовая р.docx
• Тип: Курсовая; #220589

Балаковский инженерно-технологический институт - филиал

федерального государственного автономного образовательного учреждения

высшего образования

«Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

Факультет атомной энергетики и технологий

Кафедра «Атомная энергетика»


КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине

Техническая теплотехника

на тему

«Расчёт теплообменного аппарата»
В ыполнил: студент группы СЗС-21

Долматов Д.А.

«05» июня 2020г.

Допущен к защите Руководитель работы Устинов Н.А. «_____»______________2020г.

Защитил с оценкой Руководитель работы Устинов Н.А. «_____»______________2020г.

Балаково 2020г.



Вариант №2:

Тип теплообменного аппарата: кожухотрубный;

Теплоносители: вода;

Условия перемещения: Принудительная циркуляция;

Тепловая мощность:12 кВт;

Температура греющего агента:

- На входе в теплообменный аппарат: 95 *C;

- На выходе иp теплообменного аппарата: 45 *C;

Температура тепловоспринимающего агента на входе в теплообменный аппарат: 12 ℃

Содержание

Задание к курсовой работе………………………………………………..2

1. 
   Введение…………………………………………………………………..4
   
2. 
   Классификация теплообменных аппаратов……………………………5
   
3. 
   Кожухотрубные теплообменники. Их устройство и принцип
   

работы……………………………………………………………………..7

4. 
   Тепловой расчёт кожухотрубного водоводяного теплообменного аппарата……………………………………………………………………11
   
5. 
   Поверочный расчёт теплообменного аппарата…………………….…16
   

Список литературы.………………………………………………………21


Лист

1. 
   Введение
   

Теплообменными аппаратами, или теплообменниками, называются устройства для передачи тепла от одних сред (горячих теплоносителей) к другим (холодным теплоносителям).

Теплообменные аппараты применяются для нагревания и охлаждения веществ в различных агрегатных состояниях, испарения жидкостей и конденсации паров, перегонки, абсорбции и адсорбции, расплавления твёрдых тел и кристаллизации, отвода и подвода тепла при проведении экзотермических и эндотермических реакций, и т.д. Соответственно своему назначению теплообменные аппараты называются подогревателями, холодильниками, испарителями, конденсаторами, дистилляторами, плавителями и т.п. [2],[3]

Теплообменник любой конструкции выполняет единственную функцию - осуществление эффективной передачи тепла от одной среды к другой. Именно этим фактором измеряется экономический эффект, который приносит теплообменник.

Необходимо заметить, что теплообменник сам по себе, без аппарата в котором он применяется, не является самостоятельным устройством. Поэтому очень важно, чтобы характеристики теплообменника максимально соответствовали характеристикам аппарата теплового теплового оборудования. Это достигается правильностью выбора конструкции теплообменника и его расчёта, а также материалов, которые применяются при его изготовлении.

Современные технологии позволяют максимально оптимизировать процесс передачи тепла. Это происходит за счёт использования приборов автоматического регулирования температуры и уменьшения пути теплоносителя в теплообменнике.

Материалы, применяемые в современных теплообменниках, также позволяют надолго забыть о коррозии их стальных поверхностей. Это позволяет намного увеличить срок службы аппарата, в котором применяется теплообменник. [2], [3]

2. Классификация теплообменных аппаратов

Теплообменным аппаратом (теплообменником) называется устройство, в котором происходит передача теплоты от одной среды к другой. Среды, участвующие в теплообмене, называются теплоносителями. В качестве теплоносителей могут использоваться пары различных веществ, газы, жидкости и жидкие металлы. Теплоноситель, отдающий теплоту и имеющий более высокую температуру, называется первичным, а воспринимающий теплоту теплоноситель с более низкой температурой называется вторичным.

Передача теплоты может осуществляться при непосредственном контакте обоих теплоносителей, либо через твердую поверхность, разделяющую среды. По этому признаку теплообменные аппараты соответственно подразделяются на контактные и поверхностные. Контактные аппараты в свою очередь подразделяются на смешивающие, в которых теплообмен происходит при смешении обоих теплоносителей, и барботажные, где один из теплоносителей прокачивается через другой без смешения. В смешивающих аппаратах теплообмен происходит одновременно с массообменом. В поверхностных аппаратах процесс теплопередачи включает в себя теплоотдачу от первичного теплоносителя к поверхности теплообмена, перенос теплоты через поверхность и теплоотдачу от поверхности теплообме-на к вторичному теплоносителю. Поверхностные аппараты подразделяются на рекуперативные и регенеративные. В рекуперативных аппаратах обе стороны поверхности теплообмена непрерывно омываются теплоносителями, и направление теплового потока в стенке поверхности теплообмена сохраняется неизменным. В регенеративных аппаратах поверхность теплообмена попеременно омывается то одним, то другим теплоносителем, так что направление теплового потока в стенках поверхности теплообмена периодически меняется. [2]

По типу поверхности теплообмена различают аппараты трубчатые (кожухотрубные аппараты с гладкими, оребренными или профилированными трубками) и пластинчатые, в которых поверхность теплообмена образована плоскими или гофрированными листами. По пространственной ориентации поверхности теплообмена аппараты делятся на горизонтальные и вертикальные. Классифицировать аппараты можно и по роду протекающих через них теплоносителей на водоводяные, пароводяные, газовоздушные и др., а также и по признаку наличия или отсутствия изменения агрегатного состояния одного или обоих теплоносителей. По этому признаку можно

выделить аппараты без изменения агрегатного состояния, а также с

изменением агрегатного состояния теплоносителей — кипением или конденсацией. Другим принципом классификации теплообменных аппаратов является их функциональное назначение, по которому аппараты подразделяются на конденсаторы, подогреватели, охладители и т.д. [12]

В состав энергетических установок входит ряд теплообменных аппаратов (теплообменников), являющихся их неотъемлемой частью. Эти аппараты по большей части являются поверхностными и рекуперативными по принципу действия, однако в схемах энергетических установок имеются также и аппараты смешивающего типа. Функционирование таких теплообменных аппаратов непосредственно связано с термодинамикой рабочего цикла паротурбинной или газотурбинной установки и обеспечивает необходимую эффективность и надежность ее работы. К таким аппаратам относятся, например, конденсаторы, подогреватели системы регенерации и системы подогрева сетевой воды паротурбинных установок, а также воздухоподогреватели и воздухоохладители газотурбинных установок. Другие теплообменные аппараты, не будучи связаны непосредственно с термодинамическим циклом установки, необходимы для обеспечения работы вспомогательных систем (например, систем регулирования и смазки). Поверхностные аппараты паротурбинных установок (ПТУ) в качестве поверхности теплообмена имеют пучки трубок, как прямых, так и другой конфигурации — U- или П-образных. Теплообменные аппараты газотурбинных установок (ГТУ) выполняются как трубчатыми, так и пластинчатыми. [12]



3.Кожухотрубные теплообменники. Их устройство и принцип работы

Теплообменники по способу передачи теплоты подразделяются 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.

Наиболее распространёнными в промышленности и коммунальном хозяйстве из числа рекуперативных теплообменников являются кожухотрубные теплообменники [2]

Кожухотрубные теплообменники появились в начале ХХ века и получили своё название из-за тонких теплообменных труб, находящихся в середине основного кожух, причём их количество влияет на поверхность теплообмена, и как следствие, эффективность аппарата. Их разработка была связана с потребностью в аппаратах с высоким показателем производительности и способностью работать при высоком давлении. Изначально они применялись на тепловых станциях, затем, как компоненты нагревателей в нефтяной промышленности. Зачастую аппараты работали с загрязнёнными средами, что способствовало конструировать их так, чтобы обеспечить лёгкость ремонта и очистки. [11]

С годами кожухотрубные теплообменники стали наиболее широко применяемым типом аппаратов. Это обусловлено прежде всего надежностью конструкции, большим набором вариантов исполнения для различных условий эксплуатации, в частности:

- однофазные потоки, кипение и конденсация по горячей и холодной сторонам теплообменника с вертикальным или горизонтальным исполнением
- диапазон давления от вакуума до высоких значений
- в широких пределах изменяющиеся перепады давления по обеим сторонам вследствие большого разнообразия вариантов
- удовлетворение требований по термическим напряжениям без существенного повышения стоимости аппарата


- размеры от малых до предельно больших (5000 м²)
- возможность применения различных материалов в соответствии с требованиями к стоимости, коррозии, температурному режиму и давлению
- использование развитых поверхностей теплообмена как внутри труб, так и

снаружи, различных интенсификаторов и т.д.
- возможность извлечения пучка труб для очистки и ремонта

Однако такое широкое разнообразие условий применения кожухотрубных теплообменников и их конструкций никоим образом не должно исключать поиск других, альтернативных решений, таких, как применение пластинчатых, спиральных или компактных теплообменников в тех случаях, когда их характеристики оказываются приемлемыми и их применение может привести к экономически более выгодным решениям. [11]

Кожухотрубные теплообменные аппараты по ГОСТ 9929 выполняются пяти видов:

Н – аппараты с неподвижными трубными решётками;

К – теплообменники с компенсатором в кожухе;

У – аппараты с U-образными трубками;

П – теплообменники с плавающей головкой;

ПК – теплообменники с плавающей головкой и компенсатором на ней.

Теплоносители, используемые в теплообменных аппаратах ПТУ, подразделяются по агрегатному состоянию на жидкие (циркуляционная, сетевая и питательная вода, конденсат, масло) и газообразные (водяной пар, воздух, газовая смесь).

При проектировании кожухотрубных теплообменных аппаратов возникает проблема размещения теплоносителей по сторонам поверхности теплообмена — внутри трубок или в межтрубном пространстве. Обоснованное решение этой проблемы требует учета факторов тепловой эффективности, надежности, экономичности работы аппарата, а также минимизации его массогабаритных и стоимостных характеристик. Выбор конкретной схемы течения теплоносителей определяется взаимным влиянием следующих факторов: стоимости материалов и изготовления аппарата

(капитальных затрат), эксплуатационных расходов (особенно расходов на прокачку теплоносителей), возможности очистки аппарата, склонности металла к коррозии, разности рабочих давлений сред, опасности утечки теплоносителя, рабочего диапазона температур, возможности возникновения термических напряжений вследствие различного удлинения элементов конструкции аппарата, вибрации трубок и появления усталостных напряжений и т.д.

Одной из основных характеристик конструкции теплообменного аппарата является тип относительного движения потоков теплоносителей и схема их взаимного движения. По направлению преимущественного движения теплоносителей следует различать противоточные и прямоточные аппараты, а также аппараты с перекрестным током.

Рассмотренные схемы отличаются между собой степенью использования температурного потенциала теплоносителей, т.е. разницы их температур. С этой точки зрения наиболее выгоден чистый противоток, поэтому в теплообменных аппаратах любой конструкции, работающих без изменения агрегатного состояния теплоносителей, для получения наименьшей поверхности теплообмена при прочих равных условиях необходимо применять принцип противоточного движения теплоносителей. Если выдержать принцип чистого противотока невозможно по конструктивным или компоновочным соображениям, следует организовать перекрестный ток теплоносителей с соблюдением общего противоточного течения. При изменении агрегатного состояния хотя бы одного из теплоносителей любые схемы движения принципиально равноценны. [11], [12]

Кожухотрубные теплообменники по числу ходов теплоносителя по трубам выпускают одноходовые, а также двух-, четырёх- и шестиходовые. Многоходовые аппараты отличаются отличаются от одноходовых наличием распределительной камеры и продольных перегородок.

Теплообменники типа H относятся к аппаратам жёсткой конструкции. Трубы жёстко скреплены с трубной решёткой, а трубная решётка в свою очередь жёстко связана с корпусом по средствам фланцевого соединения, либо путём сварки. [5], [6]

При работе кожухотрубных теплообменных аппаратов для достижения максимальной эффективности теплообмена необходимо обеспечить минимальный зазор между внутренней стенкой аппарата и трубным пучком. Для этого в аппаратах возможна установка специальных заполнителей: это

могут быть приваренные к корпусу продольные пластины или глухие трубы.

Преимущество теплообменников типа H:

1. 
   Невозможность очистки наружной поверхности труб от загрязнений, поскольку трубные решётки жёстко связаны с корпусом. Поэтому в межтрубное пространство рекомендуется направлять чистый теплоноситель.
   
2. 
   В связи с жёсткостью конструкции возможно возникновение температурных напряжений в корпусе и трубах аппарата. Возникающие напряжения могут привести к деформации, вплоть до разрушения аппарата. Во избежание этого теплообменники типа H рекомендуется использовать при разности сред не более 50℃. Для предотвращения возникновения температурных деформаций необходимо соблюдать порядок пуска. Сначала теплоноситель следует направить в межтрубное пространство, а после выравнивания температуры кожуха и труб направляют поток в трубы. [5], [6]
   

4. Тепловой расчёт кожухотрубного водоводяного теплообменного аппарата

1) На основании уравнения теплового баланса определим расходы греющей и нагреваемой среды:

Q₁ = Q₂ , где Q1 - приход тепла с греющей средой;

Q₂ - теплота, уносимая нагревающей средой;

𝑄 = 𝑐𝑚(𝑡1 – 𝑡2), где 𝑚 – массовый расход теплоносителя в единицу времени; 𝑐– средняя теплоемкость в интервале температур;

𝑡1, 𝑡2 – температура на входе и выходе; 𝑡′1, 𝑡′2 – начальная и конечная температура нагреваемой среды;

Запишем уравнение в развернутом виде: 𝑐𝑚(𝑡1 – 𝑡2) = 𝑐’𝑚’(𝑡’1 – 𝑡′2)

Для нагреваемой среды определим ее расход: 𝑄 = 𝑐𝑚(𝑡1 – 𝑡2) (1)

Определим с

[9]:

Из вормулы (1):

Назначаем конечную температуру для нагреваемой среды: 𝑡c2 = 70ºС

[9]: 𝑄 = 𝑐′𝑚′ (𝑡′₁– 𝑡′₂) (2)

Определим с′:



Из формулы (2):

2) Определим среднюю разность температур

[9]: Принимаем схему движения противоток





[9]:

Н а рис. 1 представлена противоточная схема движения жидкости

Рис. 1 Схема движения жидкости

3) Расчёт коэффициентов теплоотдачи и теплопередачи:

[9]: , где Nu – число Нуссельта (безразмерный коэффициент теплоотдачи)

𝛼 – коэффициент теплоотдачи;

𝑙 – характерный размер;

𝜆 – коэффициент теплопроводности жидкости;

𝑙 = 𝑑, где 𝑑 – внутренний диаметр трубки;

Коэффициент теплопередачи по плоской стенке:

[9]: , где - толщина теплоотдающей поверхности

- коэффициент теплопроводности материала стенки;

Для цилиндрической стенки коэффициент теплопередачи вычисляется по соотношению, если разница наружного и внутреннего диаметров < 2, то допускается расчет по плоской стенке, если > 2, то уравнение усложняется диаметром:

, где - внутренний диаметр трубы;

- наружный диаметр трубы

Так как соотношение диаметров <2, то используем формулу коэффициента теплопередачи для плоской стенки.

Определим коэффициенты 𝛼₁и 𝛼₂:



, при >10³, где

С = 0,21; n = 0,65 - при размещение труб по вершинам треугольников;

= 0,6;

= 2,74 – число Прандтля в межтрубном пространстве

- коэффициент теплопроводности жидкости в межтрубном пространстве (0.6635 );

- число Рейнольдса для межтрубного пространства [9]:

, где - скорость жидкости в межтрубном пространстве ( )

- плотность жидкости в межтрубном пространстве ( );

- динамическая вязкость ;



>10³ следовательно

[9]:



, при

- число Прандтля в трубном пространстве [9];

- коэффициент теплопроводности жидкости в трубном

пространстве ;

𝑅𝑒₂ – число Рейнольдса

[9]: , где - скорость жидкости в межтрубном пространстве( )

- плотность жидкости в межтрубном пространстве ( );

- динамическая вязкость( );



следовательно



Определим коэффициент коэффициент К

[9]:

4) Определим площадь поверхности теплообмена:



5.Поверочный расчёт теплообменного аппарата

Исходя из полученных значений поверхности теплообмена и массового расхода воды, делаем вывод, что необходимо спроектировать змеевиковый теплообменный аппарат с одной трубой скрученной в форме спирали.

1. 
   Рассчитаем необходимый внутренний диаметр трубы
   

[10]: , где m – массовый расход;

- плотность жидкости;

- скорость жидкости;

F – площадь проходного сечения;

, где n – число труб;

- площадь сечения одной трубы;

, где d – диаметр трубы;

, следовательно

d = 0,006м – внутренний диаметр трубы;

d = 0,01м – наружный диаметр трубы;

1. 
   Определим коэффициенты К, и с учётом новых диаметров:
   

, при >10³, где

С = 0,21; n = 0,65 - при размещение труб по вершинам треугольников;

= 0,6;

= 2,74 – число Прандтля в межтрубном пространстве

- коэффициент теплопроводности жидкости в межтрубном пространстве (0.6635 );

- число Рейнольдса для межтрубного пространства [9]:

, где - скорость жидкости в межтрубном пространстве ( )

- плотность жидкости в межтрубном пространстве ( );

- динамическая вязкость ;



, следовательно



, , при , где

= 4 - число Прандтля в трубном пространстве;

- коэффициент теплопроводности жидкости в трубном пространстве ;

- число Рейнольдса

[9]: , где

- скорость жидкости в межтрубном пространстве ;

- плотность жидкости в межтрубном пространстве ;

- динамическая вязкость ;



, следовательно

2. 
   Определим коэффициент К [9]:
   

3. 
   Определим площадь поверхности теплообмена [9]:
   

2. 
   Определим длину трубы, с учётом поверхности теплообмена F = 27м²
   

3. 
   Для змеевикового теплообменного аппарата принимаем следующие параметры: шаг спирали ℎ = 12 мм;
   

радиус спирали 𝑟 = 25 мм;

диаметр сердечника r(сер.) = 40мм;

диаметр отверстия сердечника r(отв.) = 5мм

4. 
   Определим число витков в спирали:
   

Длина одного витка составит

[10]:

Определим количество витков n:



Общая длина спирали

[10]:

5) Определим площадь проходного сечения межтрубного пространства 𝑆′:

[10]: , следовательно

Разделим эту площадь пополам, т.к. участков межтрубного пространства два – от опорного стержня до спирали и от спирали до корпуса теплообменного аппарата:

6. 
   Определим требуемый диаметр корпуса 𝑆к
   

[10]: , где S_к – площадь корпуса;

S`_cп – наружная площадь спирали;

, следовательно



7) Определим диаметр опорного стержня 𝑆ст [10]:

𝑆`₂ = 𝑆_сп − 𝑆_ст , где 𝑆_ст – площадь опорного стержня;



𝑆сп– внутренняя площадь спирали;







Список используемой литературы

Основная

1. 
   Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии: учеб. пособ. /под ред. П.Г. Романкова.–Л.: Химия, 1987.–576 с.
   
2. 
   Плановский А.Н. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии: учеб. для вузов / А.А. Плановский, П.И. Николаев. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Химия, 1987. - 496 с.
   
3. 
   Основные процессы и аппараты химической технологии: пособие по проектированию / под ред. Ю.И. Дытнерского.– М.: Химия, 1991.–496 с.
   

Дополнительная

4. 
   Устинов Н.А., Сизов В.М. Процессы и аппараты химической технологии: метод. указ. к курсовому проектированию. - Саратов.: СГТУ, 1999. - 16 с.
   
5. 
   Романков П.Г, Фролов В.Ф, Флисюк С.М. Методы расчёта процессов и аппаратов химической технологии (пример и задачи)
   
6. 
   Таранова Л.В. Теплообменные аппараты и методы их расчёта: 2-е издание, переработанное и дополненное. Тюмень. ТюмГНГУ, 2012г.
   
7. 
   Павлов К.Ф. Примеры и задачи по курсу процессов аппаратов химической технологии: учебное пособие для вузов, 8-е издание, переработанное и дополненное Л.: Химия, 1976г.
   
8. 
   Строительный каталог СК-8 «Инженерное оборудование для зданий и сооружений», «Оборудование для систем отопления и горячего водоснабжения: водоподогреватели »
   
9. 
   Расчет и проектирование кожухотрубчатых теплообменных аппаратов: учеб.пособие / Н.И. Савельев, П.М. Лукин. – Чебоксары: Изд-во Чуваш.ун-та. 2010. – 80 с.
   
10. 
    Основы конструирования и расчёта теплообменных аппаратов. Методические указания к курсовой работе по дисциплине «Тепломассообмен» для студентов специальностей 270109 «Теплогазоснабжение и вентиляция», 140104 «Промышленная теплоэнергетика» очной и заочной форм обучения./ к.т.н., доцент Сухов В. В., к.т.н., доцент Казаков Г. М.
    
11. 
    http://www.teploobmenka.ru/oborud/art-shelltube/
    
12. 
    https://openedu.urfu.ru/files/book/Глава%201.html