Кафедра машин и аппаратов химических и пищевых производств
Курсовая работа
«Расчёт теплообменника»
Содержание
Введение 2
Аппараты теплообменные кожухотрубчатые 3
Пластинчатые теплообменники 5
1 Исходные данные 7
2 Тепловой расчет 8
2.1 Определение температурных условий нагревания 8
2.2 Определение физических параметров нагреваемого раствора 9
2.3 Определение тепловой нагрузки 9
2.4 Расчет коэффициента теплопередачи и общего терм.-ого сопр.-ения 10
2.5 Определение площади поверхности теплопередачи 12
3 Конструктивный расчет 12
3.1 Определение необходимой площади поперечного сечения пакета 12
3.2 Расчет числа параллельных каналов в пакете 13
3.3 Определение числа пластин в пакете 13
3.4 Вычисление площади поверхности теплообмена одного пакета 14
3.5 Определение числа пакетов 14
3.6 Нахождение общего числа пластин 15
3.7 Формула компоновки 15
4 Гидравлический расчет 15
4.1 Потери давления на преодоление местных сопротивлений 15
4.2 Определение коэффициента трения 16
4.3 Расчет потерь давления на сопротивление 16
4.4 Определение гидравлического сопротивления 16
4.5 Мощность на валу насоса 17
5 Список используемой литературы 18
Введение
Теплообменными аппаратами, теплообменниками, называются аппараты
для передачи тепла от более нагретого теплоносителя к другому менее
нагретому. Теплообменники как самостоятельные агрегаты или части других
аппаратов и устройств широко применяются на химических заводах, потому
что проведение технологических процессов в большинстве случаев
сопровождается выделением или поглощением тепла.
Для осуществления длительной работоспособности в процессе
эксплуатации при обработке среды, загрязненной или выделяющей отложения на стенках аппарата, необходимо производить периодические осмотры и очистку поверхностей.
Аппараты должны обладать достаточной прочностью и иметь возможно
малые габаритные размеры. При конструировании необходимо находить оптимальные решения, учитывающие требования обеспечения возможности
разборки рабочей части аппарата и герметичности системы каналов, возможно высоких коэффициентов теплопередачи за счет повышения скорости движения рабочей среды при минимальных гидравлических потерях в аппарате.
В химических производствах до 70% теплообменных аппаратов
применяют для сред жидкость — жидкость и пар — жидкость при давлении до 1 МПа и температуре до 200 °С. Для указанных условий разработаны и серийно изготовлены теплообменные аппараты общего назначения кожухотрубчатого и спирального типов. В последнее время получают распространение пластинчатые теплообменные аппараты общего назначения. Одним из преимуществ трубчатых теплообменных аппаратов является простота конструкции. Однако коэффициент унификации узлов и деталей размерного ряда этих аппаратов, являющийся отношением числа узлов и деталей (размеры одинаковы для всего ряда) к общему числу узлов и деталей данного размерного ряда, составляет примерно 0,13. В то же время этот коэффициент применительно к пластинчатым теплообменным аппаратам составляет 0,9. Удельная металлоемкость кожухотрубчатых аппаратов в 2 — 3 раза больше металлоемкости новых пластинчатых аппаратов.
Режим работы теплообменного аппарата и скорость движения
теплоносителей необходимо выбирать таким образом, чтобы отложение
загрязнений на стенках происходило возможно медленнее. Например, если
охлаждающая вода отводится при температуре 45 – 50о С, то на стенках
теплообменного аппарата интенсивно осаждаются растворенные в воде соли.
При конструировании следует обоснованно решать вопрос о направлении
теплоносителей в трубное или межтрубное пространство. Например,
теплоносители, загрязненные и находящиеся под давлением, обычно
направляют в трубное пространство. Насыщенный пар лучше всего подавать в межтрубное пространство, из которого легче удалить конденсат. Чистка
трубного пространства (в котором вероятнее всего будут выпадать загрязнения)легче, а живое сечение для прохода теплоносителя меньше. Вследствие этого в трубном пространстве можно обеспечить теплоносителю более высокие скорости и, следовательно, более высокие коэффициенты теплоотдачи.
Аппараты теплообменные кожухотрубчатые
Они достаточно просты в изготовлении, отличаются возможностью
развивать большую поверхность теплообмена в одном аппарате, надежны в работе.
Кожухотрубчатые теплообменные аппараты с неподвижными трубными
решетками и с поперечными перегородками в межтрубном пространстве,применяемые в химической, нефтяной и других отраслях промышленности,обозначаются индексами и классифицируются:
- по назначению (первая буква индекса): Т – теплообменники; Х –
холодильники; К – конденсаторы; И – испарители;
- по конструкции (вторая буква индекса) – Н — с неподвижными трубными
решетками; К — с температурным компенсатором на кожухе; П — с
плавающей головкой; У — с U-образными трубами; ПК — с плавающей
головкой и компенсатором на ней;
- по расположению (третья буква индекса): Г – горизонтальные; В –
вертикальные.
Теплообменники с неподвижными трубными решетками предназначены для нагрева и охлаждения, а холодильники —для охлаждения (водой или другим нетоксичным, непожаро- и невзрывоопасным хладоагентом)жидких и газообразных сред.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— также и из латуни. Распределительные камеры и крышки холодильников выполняют из углеродистой стали. Схема теплообменника с неподвижными трубными решетками приведена на рис. 1. В кожухе 1 размещен трубный пучок, теплообменные трубы 2 которого развальцованы в трубных решетках 3.Трубная решетка жестко соединена с кожухом. С торцов кожух аппарата закрыт распределительными камерами 4 и 5, Кожух и камеры соединены
фланцами.
Рисунок 1- Теплообменник с неподвижной трубной решеткой
Для подвода и отвода рабочих сред (теплоносителей) аппарат снабжен
штуцерами. Один из теплоносителей в этих аппаратах движется по трубам,
другой — в межтрубном пространстве, ограниченном кожухом и наружной
поверхностью труб.
Особенностью аппаратов типа Н является то, что трубы жестко
соединены с трубными решетками, а решетки приварены к кожуху. В связи с
этим исключена возможность взаимных перемещений труб и кожуха; поэтому
аппараты этого типа называют еще теплообменниками жесткой конструкции.
Трубы в кожухотрубчатых теплообменниках стараются разместить так,
чтобы зазор между внутренней стенкой кожуха и поверхностью, огибающей
пучок труб, был минимальным; в противном случае значительная часть
теплоносителя может миновать основную поверхность теплообмена. Для
уменьшения количества теплоносителя, проходящего между трубным пучком и
кожухом, в этом пространстве устанавливают специальные заполнители,
например приваренные к кожуху продольные полосы или глухие трубы,
которые не проходят через трубные решетки и могут быть расположены
непосредственно у внутренней поверхности кожуха.
Если площадь сечения трубного пространства (число и диаметр труб)
выбрана, то в результате теплового расчета определяют коэффициент
теплопередачи и теплообменную поверхность, по которой рассчитывают длину трубного пучка. Последняя может оказаться больше длины серийно
выпускаемых труб. В связи с этим применяют многоходовые (по трубному
пространству) аппараты с продольными перегородками в распределительной
камере. Промышленностью выпускаются двух-, четырех- и шестиходовые
теплообменники жесткой конструкции.
Пластинчатые теплообменники
Это аппараты, теплообменная поверхность которых образована набором тонких штампованных пластин с гофрированной поверхностью. Их разделяют по степени доступности поверхности теплообмена для механической очистки и осмотра на разборные, полуразборные и неразборные (сварные).
Наиболее широко применяют разборные пластинчатые теплообменники, в которых пластины отделены одна от другой прокладками. Монтаж и демонтаж этих аппаратов осуществляют достаточно быстро, очистка теплообменных поверхностей требует незначительных затрат труда.
Основные размеры и параметры наиболее распространенных в промышленности пластинчатых теплообменников определены ГОСТ15518—83.Их изготовляют с поверхностью теплообмена от 2 до 600 м2 в зависимости от типоразмера пластин; эти теплообменники используют при давлении до 1,6 МПа и температуре рабочих сред от —30 до +180° С для реализации теплообмена между жидкостями и парами (газами) в качестве холодильников, подогревателей и конденсаторов.
Серийно выпускаемые разборные пластинчатые теплообменники могут работать с загрязненными рабочими средами при размере твердых включений не более 4 мм.
Рама теплообменника состоит из неподвижной плиты (1), штатива (4), верхней (2) и нижней (7) направляющих, подвижной плиты (3) и комплекта стяжных болтов (8).
Верхняя и нижняя направляющие крепятся к неподвижной плите и к штативу. На направляющие навешивается пакет пластин (5,6) и подвижная плита (3). Неподвижная и подвижная плиты стягиваются болтами.
У одноходовых теплообменников все соединения расположены на неподвижной плите. Для крепления теплообменника к строительным конструкциям на неподвижной плите и штативе предусмотрены монтажные пятки.
Рисунок 2 – Разборный пластинчатый теплообменник
Серийно выпускаемые пластинчатые теплообменники комплектуют пластинами, штампованными из листового металла толщиной 1 мм. Гофры пластин обычно имеют в сечении профиль равностороннего треугольника высотой 4—7 мм и основанием длиной 14—30 мм (для вязких жидкостей до 75 мм). Материал пластин — оцинкованная или коррозионно-стойкая сталь, титан, алюминий. К недостаткам пластинчатых теплообменников следует отнести невозможность использования их при давлении более 1,6 МПа. Расчет на прочность пластинчатых теплообменников сводится к расчету нажимных и промежуточных плит, пластин, штанг, стяжных болтов, коллекторов, днищ и крышек
Пластины неразборных теплообменников сварены в блоки, соединенные на прокладках в общий пакет
Рисунок 3 – Цельносварный теплообменник
Теплообменники пластинчатые ребристые - это аппараты с теплообменной поверхностью из листа, способной разрушать лимитирующие теплоотдачу пограничные слои теплоносителя. В связи с этим определенный интерес представляют отечественные пластинчато-спиральные теплообменники. Это спиральные теплообменники с теплообменной поверхностью в виде гофрированных листов, обеспечивающих разрушение пограничных слоев теплоносителя благодаря, генерации гофрами в пристенной зоне активных вторичных течений и возникновению центробежных сил в потоках теплоносителей при их движении по изогнутым каналам.
Рисунок 4 – Теплообменник ребристый
1 Исходные данные расчета
Начальная температура вещества, , конечная температура ; начальная температура горячего теплоносителя , конечная температура . Разработать конструкцию пластинчатого теплообменника для обработки воды производительностью 15000 кг/ч. Теплообменник собрать из стандартных пластин площадью f=0,18 м2, скорость холодного теплоносителя v2=1 м/с, скорость горячего теплоносителя v1=2 м/с. Обработка ведется водой.
2 Тепловой расчет
2.1 Определение температурных условий нагревания
Определяем большую и меньшую разность температур
( значения температур выбраны условно: «1» – горячий теплоноситель(вода), «2» –холодный теплоноситель (сгущенное молоко)
Для пластинчатого теплообменника определяем большую ,℃, и
меньшую , ℃, разности температур:
, (1)
,℃ ,
, (2)
,℃
Определяем среднюю разность температур теплоносителей (средний температурный напор) :
, (3)
0С
Определяем среднюю температуру нагреваемого раствора:
, (4)
0С,
, (5)
0С
2.2Определение физических параметров нагреваемого раствора
При средних температурах ср определяем: теплопроводность λ, удельную теплоемкость c, плотность ρ, динамическую вязкость μ нагреваемого раствора по справочным таблицам. Также определяем критерий Прандтля . [2]
Определим физические параметры для горячего теплоносителя (воды) при температуре 70℃:
Ρ1 = 975 кг/м3;
c 1= 4,19 кДж/кг·К,(4190 Дж/кг·К);
λ 1= 0,672 Вт/мК;
μ 1= 380·10-6Па·с;
Pr1= 2,38
Определим физические параметры для холодного теплоносителя
(воды) при температуре 36℃:
Ρ2=994 кг/м3;
С2=4,18 кДж/кг·К
λ 2=0,615 Вт/мК;
μ 2=730·10-6 Па·с.
Pr2=4,86
2.3Определение тепловой нагрузки
Тепловую нагрузку Q, Вт, для пластинчатого теплообменника определяем следующим образом:
, (6)
где x – коэффициент, учитывающий тепловые потери (1,02...1,05);
с – средняя удельная теплоемкость раствора при tср2;
М – производительность, кг/с
=884,67 кВт
2.4 Расчет коэффициента теплопередачи и общего термического
сопротивления
2.4.1 Для расчета коэффициента теплопередачи необходимо предварительно определить коэффициенты теплоотдачи теплоносителей. Коэффициенты рассчитываются из критериальных уравнений.
В общем виде уравнение можно представить следующим образом:
(7)
2.4.2 В частных случаях:
, (8)
где Re – критерий Рейнольдса,
dэ – определяющий размер аппарата, м [4]
ρ – плотность, кг/
μ – коэффициент динамической вязкости, Па с
,
,
Для пластинчатого теплообменника величины критерия Nu, как для горячего так и для холодного теплоносителей определяют по формулам, зависящим от типа выбранной пластины, скорости и теплофизических
параметров теплоносителей.[4]
Выбираем пластинку : Гофра 3.6 +1 на обе стороны
, (9)
Влияние направления теплового потока учитывается отношением, где – критерий Прандтля, вычисленный при температуре стенки, соприкасающейся с потоком. При проектировании теплообменников расчет коэффициента теплоотдачи для нагревающихся капельных жидкостей можно вести без учета отношения, допуская при этом небольшую погрешность в сторону уменьшения коэффициента теплоотдачи, т.е. в сторону запаса, так как с повышением температуры критерий уменьшается, а становится меньшим 1.
,
После определения критерия Нуссельта, значения коэффициентов теплоотдачи находят следующим образом:
(10)
где – эквивалентный диаметр каналов пластин, мм; [4]
, Вт/(м2·К)
, Вт/(м2·К)
Коэффициент теплопередачи К, Вт/(м3·К), определяется
следующим образом:
(11)
где суммарное термическое сопротивление стенки и загрязнений;
Определяем суммарное термическое сопротивление стенки и загрязнений по формуле:
(12)
где – толщина стенки поверхности теплопередачи, м;[4]
–теплопроводность материала теплопередающей поверхности, ; /2/
и термическое сопротивление загрязнений поверхности нагрева аппарата со стороны горячего и холодного теплоносителей,
[2]
,
,
,
Вт/(м3·К)
2.5 Определение площади поверхности теплопередачи
Площадь поверхности нагрева подогревателя F, м2, рассчитываем по формуле:
, (13)
, м2
3 Конструктивный расчет
3.1 Определение необходимой площади поперечного сечения пакета
, м2 (14)
где , - обьемный расход рабочей среды, м3/с;
скорость рабочей среды,м/с.
м3/с
м3/с
м2
м2
3.2 Расчет числа параллельных каналов в пакете для каждой среды
(15)
где площадь поперечного сечения одного межпластинного канала, ( 0,00126) Полученное значение округляют до целого.
3.3 Определение числа пластин в пакете по соотношению
(16)
= 4
В крайних пакетах, соприкасающихся с плитами, общее число пластин на одну больше (концевую)
(17)
3.4 Вычисление площади поверхности теплообмена одного пакета
(18)
где площадь поверхности одной пластины , м2
м2
м2
3.5 Определение числа пакетов (ходов) в теплообменном аппарате
(19)
Если величина Х получается дробно, то ее округляют до целого и корректируют площадь поверхности всего аппарата F:
(20)
м2
3.6 Нахождение общего числа пластин в аппарате
(21)
4 Гидравлический расчет
4.1 Потери давления на преодоление местных сопротивлений
, (23)
где ζ – коэффициент местных сопротивлений, определяемых по таблице 9 [4]
4.2 Определение коэффициента трения единицы относительной длины участка канала (при Re>10000)
, (24)
где ε= – относительная шероховатость (ε=0.01)
(25)
4.3 Расчет потерь давления на сопротивление
, (26)
где λ – коэффициент трения единицы относительной длины участка канала;
- скорость рабочей среды в канале м/с;
– длина канала, м;
- эквивалентный диаметр канала, м.
4.4 Определение гидравлического сопротивления
, (27)
где - потери давления на преодоление сопротивления трения в тракте аппарата;
- потери давления на преодоление местных сопротивлений.
4.5 Мощность на валу насоса рассчитывают по формуле
, (28)
где G – массовый расход рабочей среды, кг/с;
- гидравлическое сопротивление аппарата, Па;
- плотность рабочей среды, кг/м3;
- КПД насоса.
Исходя из расчетного значения объемного расхода рабочей среды V1 равного 0,00213 м3/с выбираем из таблицы (приложение Ж)стандартное значение подачи теплоносителя Qy = 2,4 10-3 мг/с . Из соответствующих этой характеристике двух марок центробежных насосов Х2/18 (ηн =0,4) и Х8/30 (ηн =0,5) выбираем первую.
253Вт = 0,253 кВт
Вычисленная мощность меньше табличного значения мощности (Nтабл =3кВт),следовательно выбранный насос создаст необходимое давление для перемещения рабочей среды через аппарат.
Список используемой литературы
1 Баранцев В.И. Сборник задач по процессам и аппаратам пищевых производств Текст / В.И. Баранцев – М.: Агропромиздат, 1985. – 285 с.
2 Гинзбург А.С. Теплофизические характеристики пищевых продуктов Текст / А.С. Гинзбург, М.А. Громов, Г.И. Красовская – М.: Пищевая промышленность, 1980. – 288 с.
3 Расчеты и задачи по процессам и аппаратам пищевых производств: учебник / С.М. Гребеннюк. – М.: 1987 – 352с.
4 Расчет теплообменника:методические указания / С.Ю.Соловых,С.В. Антимонов, В.П.Ханин. – О.:ОГУ , 2006 – 56с.
Скачать: