ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ СПИРАЛЬНОГО ТЕПЛООБМЕННИКА ДЛЯ КОНДЕНСАЦИИ НАСЫЩЕННОГО ПАРА БЕНЗОЛА. Куликов 28.-курсовая кожухотрубчатый. Курсовая работа тепловой расчет вертикального кожухотрубчатого теплообменника для конденсации насыщенного пара бензола
 Скачать 0.9 Mb.
|
|
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «БАШКИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» Бирский филиал БашГУ Инженерно-технологический факультет Кафедра технологического образования Направление подготовки (специальность): 20.03.01 – Техносферная безопасность (код и наименование) Направленность (профиль) образовательной программы: Пожарная безопасность Гидрогазодинамика и теплотехника Наименование дисциплины (модуля) Курсовая работа ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ВЕРТИКАЛЬНОГО КОЖУХОТРУБЧАТОГО ТЕПЛООБМЕННИКА ДЛЯ КОНДЕНСАЦИИ НАСЫЩЕННОГО ПАРА БЕНЗОЛА (Вариант 28)
БИРСК – 2022 Содержание стр. Введение……………………………………………………………………………. 4 Глава I. Устройство, принцип действия и методы расчета вертикального кожухотрубчатого теплообменника……………………………………………… .5 1.1. Конструкция и принцип работы вертикального кожухотрубчатого теплообменника…………………………………………………………………...…5 1.2. Тепловой баланс. Тепловые процессы в теплообменнике………………......15 1.3 Инновационные методы повышения эффективности существующих типов кожухотрубных аппаратов……………………………………………………...….16 Глава II. Тепловой и компоновочный расчёты вертикального кожухотрубчатого теплообменника ………………………………………………………………….....20 2.1 Основные параметры теплообменника….......................................................20 2.2 Тепловой расчет кожухотрубчатого теплообменника...................................21 2.3 Расчет коэффициента теплоотдачи от воды к стенке трубки…………… .....23 2.4 Коэффициент теплоотдачи конденсирующегося бензола……………………26 Заключение………………………………………………………………………….27 Список использованных источников..…………………………………………….28 ПРИЛОЖЕНИЕ 1…………………………………………………………………...29 ПРИЛОЖЕНИЕ 2…………………………………………………………………...30 ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «БАШКИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» Бирский филиал БашГУ Инженерно-технологический факультет Кафедра технологического образования Задание на курсовую работу по дисциплине «Гидрогазодинамика и теплотехника» студенту Куликову Александру Николаевичу группы 2 курса 3 Произвести тепловой расчет вертикального кожухотрубчатого теплообменника для конденсации насыщенного пара бензола. Исходные данные приведены в варианте № 28 к курсовой работе В число исходных данных входят: - массовый расход бензола Gб = 1450 кг/час при атмосферном давлении; - охлаждающий агент - вода с начальной температурой –tв1=19оС и конечной –tв11=37 оС; - термическое сопротивление поверхности теплообмена со стороны бензола – 0,0001м2час*К/ккал, а со стороны воды - 0,0007м2*час*К/ккал; - стальные трубки теплообменника имеют наружный диаметр dн=25мм и внутренний –dвн=21мм; - температура кипения бензола при атмосферном давлении tк=80,10С, а скрытая теплота парообразования бензола – r=94,5ккал/кг; - жидкий бензол отводится при температуре конденсации насыщенных паров; - бензол в кожухотрубчатом теплообменнике конденсируется в межтрубном пространстве. Тепловой расчёт теплообменника выполнить на основе параметров аппарата, выпускаемого серийно. К защите курсовой работы подготовить расчётно-пояснительную записку и эскизный чертёж подогревателя. Срок сдачи законченной курсовой работы_______________ Дата выдачи задания_______________16.10.2022_________ Разработал Доцент кафедры технологического образования Зинов И.А. Введение Актуальность предложенной темы курсовой работы определяется чрезвычайно широким распространением теплообменного аппарата в быту, промышленности и в науке. Исследование содержит относительно полную информацию, необходимую для выполнения тепловых и компоновочных расчётов широко распространённых теплообменных аппаратов. Цель курсовой работы: закрепить полученные теоретические знания о распространении тепла в пространстве конвекцией, теплопроводностью и при теплопередаче; приобрести практические навыки в расчётах коэффициентов теплоотдачи при течении жидкостей и газов, а также при конденсации влажного насыщенного пара в теплообменных аппаратах; освоить методы расчёта теплообменных аппаратов. Объект исследования: вертикальный кожухотрубчатый теплообменник. Предмет исследования: тепловой и компоновочный расчеты вертикального кожухотрубчатого теплообменника. Задачи исследования: 1. Изучить и анализировать специальную литературу по теме курсовой работы; 2. Выполнить тепловой и компоновочный расчеты вертикального кожухотрубчатого теплообменника для конденсации насыщенного пара бензола; 3. Проект рассчитанного аппарата. Методы исследования: - анализ научно-технической литературы - инженерный расчет технического устройства – вертикального кожухотрубчатого теплообменника. ГЛАВА 1. УСТРОЙСТВО, КОНСТРУКЦИЯ, ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И МЕТОДЫ РАСЧЕТА ВЕРТИКАЛЬНОГО КОЖУХОТРУБЧАТОГО ТЕПЛООБМЕННИКА 1.1. Конструкция и принцип работы вертикального кожухотрубчатого теплообменника Теплоиспользующие аппараты, применяемые в пищевых производствах для проведения теплообменных процессов, называются теплообменниками. Кожухотрубные теплообменники относятся к наиболее распространенным аппаратам. Их применяют для теплообмена и термохимических процессов между различными жидкостями, парами и газами – как без изменения, так и с изменением их агрегатного состояния. Кожухотрубные теплообменники появились в начале ХХ века в связи с потребностями тепловых станций в теплообменниках с большой поверхностью, таких, как конденсаторы и подогреватели воды, работающие при относительно высоком давлении. Кожухотрубные теплообменники применяются в качестве конденсаторов, подогревателей и испарителей. В те же годы началось широкое промышленное применение кожухотрубных теплообменников в нефтяной промышленности. Для эксплуатации в тяжелых условиях потребовались нагреватели и охладители массы, испарители и конденсаторы для различных фракций сырой нефти и сопутствующих органических жидкостей. Теплообменникам часто приходилось работать с загрязненными жидкостями при высоких температурах и давлениях, и поэтому их необходимо было конструировать так, чтобы обеспечить легкость ремонта и очистки. В настоящее время их конструкция в результате специальных разработок с учетом опыта эксплуатации стала намного более совершенной. 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. Кожухотрубные теплообменники состоят из пучков труб, укрепленных в трубных досках, кожухов, крышек, камер, патрубков и опор. Трубное и межтрубное пространства в этих аппаратах разобщены, причем каждое из них может быть разделено перегородками на несколько ходов. Схемы кожухотрубчатых аппаратов наиболее распространенных типов представлены на рисунке:  Рис.1-Кожухотрубные одноходовой (а) и четырех ходовой (б) теплообменники: I, II-теплоносители; 1-корпус (кожух); 2-трубные решетки; 3-теплообменные трубы; 4-крышки (распределит. камеры); 5, 6-перегородки соответственно во внутриутробном и межтрубном пространстве. В кожухотрубных теплообменниках теплообмен интенсифицируется увеличением скорости теплоносителей путем установки в межтрубном пространстве поперечных перегородок и создания несколько ходов для теплоносителя, движущегося по внутритрубному пространству. Кожух (корпус) кожухотрубчатого теплообменника представляет собой трубу, сваренную из одного или нескольких стальных листов. Кожухи различаются главным образом способом соединения с трубной доской и крышками. Толщина стенки кожуха определяется давлением рабочей среды и диаметром кожуха, но принимается не менее 4 мм. К цилиндрическим кромкам кожуха приваривают фланцы для соединения с крышками или днищами. На наружной поверхности кожуха прикрепляют опоры аппарата.  Рис.2- кожухотрубчатые теплообменники Трубчатка кожухотрубчатых теплообменников выполняется из прямых или изогнутых (U-образных или W-образных) труб диаметром от 12 до 57 мм. Предпочтительны стальные бесшовные трубы. В кожухотрубчатых теплообменниках проходное сечение межтрубного пространства в 2-3 раза больше проходного сечения внутри труб. Поэтому при равных расходах теплоносителей с одинаковым фазовым состоянием коэффициенты теплоотдачи на поверхности межтрубного пространства невысоки, что снижает общий коэффициент теплопередачи в аппарате. Устройство перегородок в межтрубном пространстве кожухотрубчатого теплообменника способствует увеличению скорости теплоносителя и повышению эффективности теплообмена. Трубные доски (решетки) служат для закрепления в них пучка труб при помощи развальцовки, разбортовки, заварки, запайки или сальниковых креплений. Трубные доски приваривают к кожуху (рис. а, в), зажимают болтами между фланцами кожуха и крышки (рис. б, г) или соединяют болтами только с фланцем свободной камеры (рис. д, е). Материалом досок служит обычно листовая сталь толщиной не менее 20 мм. Кожухотрубчатые теплообменники могут быть жесткой (рис. а, к), нежесткой (рис. г, д, е, з, и) и полужесткой (рис. б, в, ж) конструкции, одноходовые и многоходовые, прямоточные, противоточные и поперечноточные, горизонтальные, наклонные и вертикальные. На рисунке а) изображен одноходовой теплообменник с прямыми трубками жесткой конструкции. Кожух и трубки связаны трубными решетками и поэтому нет возможности компенсации тепловых удлинений. Такие аппараты просты по устройству, но могут применяться только при сравнительно небольших разностях температур между корпусом и пучком труб (до 50оС). Они имеют низкие коэффициенты теплопередачи вследствие незначительной скорости теплоносителя в межтрубном пространстве. В кожухотрубчатых теплообменниках проходное сечение межтрубного пространства в 2-3 раза больше проходного сечения трубок. Поэтому при одинаковых расходах теплоносителей, имеющих одинаковое агрегатное состояние, коэффициенты теплоотдачи на поверхности межтрубного пространства невысокие, что снижает коэффициент теплопередачи в аппарате. Устройство перегородок в межтрубном пространстве способствует увеличению скорости теплоносителя и повышению коэффициента теплопередачи. На рисунке 1, б изображен теплообменник с поперечными перегородками в межтрубном пространстве и полужесткой мембранной компенсацией тепловых удлинений вследствие некоторой свободы перемещения верхней трубной доски. В парожидкостных теплообменниках пар проходит обычно в межтрубном пространстве, а жидкость – по трубам. Разность температур стенки корпуса и труб обычно значительна. Для компенсации разности тепловых удлинений между кожухом и трубами устанавливают линзовые (рис. в), сальниковые (рис. з, и) или сильфонные (рис. ж) компенсаторы. Для устранения напряжений в металле, обусловленных тепловыми удлинениями, изготавливают также однокамерные теплообменники с гнутыми U- и W-образными трубами. Они целесообразны при высоких давлениях теплоносителей, так как изготовление водяных камер и крепление труб в трубных досках в аппаратах высокого давления – операции сложные и дорогие. Однако аппараты с гнутыми трубами не могут получить широкого распространения из-за трудности изготовления труб с разными радиусами гиба, сложности замены труб и неудобства чистки гнутых труб. Компенсационные устройства сложны в изготовлении (мембранные, сильфонные, с гнутыми трубами) или недостаточно надежны в эксплуатации (линзовые, сальниковые). Более совершенна конструкция теплообменника с жестким креплением одной трубной доски и свободным перемещением второй доски вместе с внутренней крышкой трубной системы (рис. е). Некоторое удорожание аппарата из-за увеличения диаметра корпуса и изготовления дополнительного днища оправдывается простотой и надежностью в эксплуатации. Эти аппараты получили название теплообменников «с плавающей головкой». Теплообменники с поперечным током (рис. к) отличаются повышенным коэффициентом теплоотдачи на наружной поверхности вследствие того, что теплоноситель движется поперек пучка труб. При перекрестном токе снижается разность температур между теплоносителями, однако при достаточном числе трубных секций различие в сравнении с противотоком невелико. В некоторых конструкциях таких теплообменников при протекании газа в межтрубном пространстве и жидкости в трубах для повышения коэффициента теплоотдачи применяют трубы с поперечными ребрами. Достоинства кожухотрубчатых теплообменников: 1) Возможность получения значительной поверхности теплообмена при сравнительно небольших габаритах и хорошо освоенная технология изготовления; 2) Простота конструкции, технологии изготовления монтажа и ремонта; 3)Бóльшая тепловая мощность аппаратов по сравнению с пластинчатыми; 4)Ремонтопригодность и его экономическая целесообразность замены отдельных частей аппаратов . Недостатки: 1)Высокий расход металла в производстве, по сравнению со спиральными и пластинчатыми теплообменниками; 2) Достаточно дорогая чистка труб и межтрубного пространства; 3)Теплообменники кожухотрубные на десятки процентов менее экономичны, чем пластинчатые. Сфера применения кожухотрубчатых теплообменников – нефтяная, химическая, нефтехимическая, газовая, теплоэнергетическая отрасли промышленности. В таблице 1.1 приведена стандартная серия кожухотрубных теплообменников. Таблица 1.1 Стандартная серия кожухотрубных теплообменников
Таблица 1.2-Линия - индивидуальные решения
1.2. Тепловой баланс. Тепловые процессы в теплообменнике В расчётах теплоотдачи используют закон Ньютона – Рихмана. Этот закон представляет из себя зависимость для определения теплового потока, которым обмениваются твёрдая стенка и текучая среда (жидкость или газ). Тепловой поток - это количество теплоты, протекающее через какую либо поверхность в единицу времени. В соответствии с этим определением тепловой поток измеряется в единицах мощности – в Вт. Итак, тепловой поток пропорционален элементарной площади поверхности соприкосновения жидкости и твёрдой стенки dF и разности температур твёрдой стенки и жидкости (газа):  В этой зависимости:  и  - локальная (местная) температура твёрдой поверхности и температура текучей среды (жидкости или газа) соответственно. Разность этих температур называют температурным напором; - коэффициент пропорциональности, который называют коэффициентом теплоотдачи.В инженерных расчётах теплообменных аппаратов нередко используют средние интегральные по поверхности величины коэффициентов теплоотдачи и температурного напора и тогда уравнение Ньютона – Рихмана может быть записано не в дифференциальной, а в конечной форме:  Число Нуссельта или безразмерный коэффициент теплоотдачи (Nu)  где:  - характерный геометрический размер твёрдой стенки, определяемый по своей зависимости в каждом рассматриваемом процессе теплоотдачи.В задачах о теплоотдаче число Нуссельта является искомой величиной, т.к. в него входит необходимый для расчёта теплообменного аппарата коэффициент теплоотдачи. Безразмерный комплекс (Re)  называют числом Рейнольдса. В это соотношение входят:  - скорость текучей среды; и  - коэффициенты кинематической и динамической вязкости жидкости (газа) соответственно.Число Рейнольдса представляет собой отношение сил инерции, действующих в жидкости (газе), к силам вязкости. Это число достаточно полно характеризует режим течения жидкости. Безразмерную величину  в которой  – удельная массовая теплоёмкость текучей среды, называют числом Прандтля. Это число состоит только лишь из физических параметров жидкости (газа). | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
