Расчет кожухотрубного теплообменника

метки: Теплообменник, Аппарат, Кожухотрубчатый, Теплообменный, Работа, Испаритель, Курсовой, Кожухотрубный

Теплообменные аппараты предназначены для проведения процессов теплообмена при необходимости нагревания или охлаждения технологической среды с целью ее обработки или утилизации теплоты. Теплообменная аппаратура составляет весьма значительную часть технологического оборудования в химической и смежных отраслях промышленности. Удельный вес на предприятиях химической промышленности теплообменного оборудования составляет в среднем 15-18 %, в нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленностях 50 %. Значительный объем теплообменного оборудования на химических предприятиях объясняется тем, что почти все основные процессы химической технологии (выпаривание, ректификация, сушка и др.) связаны с необходимостью подвода или отвода теплоты.

1.1 Классификация теплообменных аппаратов

Теплообменные аппараты можно классифицировать по следующим признакам: теплообменный кожухотрубчатый теплоноситель

• по конструкции — аппараты, изготовленные из труб (кожухо-трубчатые, «труба в трубе», оросительные, погружные змеевико-вые, воздушного охлаждения);
• аппараты, поверхностность теплообмена которых изготовлена из листового материала (пластинчатые, спиральные, сотовые);
• аппараты с поверхностью теплообмена, изготовленной из неметаллических материалов (графита, пластмасс, стекла и др.);

• по назначению — холодильники, подогреватели, испарители, конденсаторы;
• по направлению движения теплоносителей — прямоточные, противоточные, перекрестного тока и др.

В общем выпуске теплообменных аппаратов для химической и смежных отраслей промышленности в России около 80 % занимают кожухотрубчатые теплообменники. Эти теплообменники достаточно просты в изготовлении и надежны в эксплуатации и в то же время достаточно универсальны, т. е. могут быть использованы для осуществления теплообмена между газами, парами, жидкостями в любом сочетании теплоносителей и в широком диапазоне их давлений и температур.

Теплообменники типа «труба в трубе» и змеевиковые стальные в общем объеме теплообменной аппаратуры составляют около 8 %, а оросительные из чугуна — около 2 %.

Доля спиральных и пластинчатых теплообменников и аппаратов воздушного охлаждения пока невелика, но на вновь строящихся технологических линиях аппараты этого типа занимают все большее место.

Условия проведения процессов теплообмена в промышленных аппаратах чрезвычайно разнообразны. Эти аппараты применяют для рабочих сред с различным агрегатным состоянием и структурой (газ, пар, капельная жидкость, эмульсия и др.) в широком диапазоне температур, давлений и физико-химических свойств. Из-за разнообразия предъявляемых к теплообменным аппаратам требований, связанных с условиями их эксплуатации, применяют аппараты самых различных конструкций и типов, причем для аппарата каждого типа разработан широкий размерный ряд поверхности теплообмена (от нескольких до нескольких тысяч квадратных метров в одном аппарате).

Аппараты теплообмена

... оборудования в химической и смежных отраслях промышленности. Удельный вес теплообменного оборудования составляет на предприятиях химической промышленности ... аппаратах один из теплоносителей движется по трубам, с помощью которых чаще всего в технике формируется поверхность теплопередачи. Поэтому для расчета и рациональной эксплуатации теплообменников ... происходит в результате теплообмена или совершения ...

В размерном ряду теплообменники различаются по допускаемым давлениям и температурам рабочей среды, а также по материалам, из которых изготовлен аппарат.

Широкая номенклатура теплообменников по типам, размерам, параметрам и материалам позволяет выбрать для конкретных условий теплообмена аппарат, оптимальный по размерам и материалам. Выбор конструкции аппарата для определенных условий теплообменного процесса зависит в основном от эрудиции и интуиции конструктора. Однако существуют рекомендации общего характера, которыми можно руководствоваться при выборе конструкции теплообменника и схемы движения в нем теплоносителей:

• при высоком давлении теплоносителей предпочтительнее трубчатые теплообменники;
• в этом случае в трубное пространство желательно направить теплоноситель с более высоким давлением, поскольку из-за малого диаметра трубы могут выдержать большее давление, чем корпус;

• коррозионный теплоноситель в трубчатых теплообменниках целесообразно направлять по трубам, так как в этом случае при коррозионном изнашивании не требуется замена корпуса теплообменника;
• при использовании коррозионных теплоносителей предпочтительнее теплообменные аппараты из полимерных материалов, например фторопласта и его сополимеров, обладающих уникальной коррозионной стойкостью;
• если один из теплоносителей загрязнен или дает отложения, то целесообразно направлять его с той стороны теплообмена, которая более доступна для очистки (в змеевиковых теплообменниках — это наружная поверхность труб, в кожухотрубчатых — внутренняя);

— для улучшения теплообмена не всегда требуется увеличение скорости теплоносителя (так, например, при конденсации паров для улучшения теплообмена необходимо обеспечить хороший отвод конденсата с теплообменной поверхности, для чего следует подобрать аппарат соответствующей конструкции).

1.2 Типы кожухотрубчатых теплообменников

Кожухотрубчатые теплообменники могут быть жесткой, нежесткой и полужесткой конструкции, одноходовые и многоходовые, прямоточные, противоточные и поперечноточные, горизонтальные, наклонные и вертикальные.

Стальные кожухотрубчатые теплообменные аппараты изготовляют следующих типов: 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.

Основные параметры и размеры стальных кожухотрубчатых теплообменных аппаратов:

Параметр, размер	Значения параметра и размера для аппаратов типа
	Н	К	П	У	ПК
Поверхность теплообмена, м 3	От 1 до 5000	От 10 до 1250	От 10 до 1400	От 178 до 1866
Условное давление в трубном или межтрубном пространстве, МПа	0,6; 1,0; 1,6; 2,5; 4,0; 6,3; 8,0	0,6; 1,0; 1,6; 2,5	1,0; 1,6; 2,5; 4,0; 6,3; 8,0; 10,0; 12,5; 16,0	5,0; 6,3; 8,0; 10,0
Диаметр кожуха, мм: , Наружный (на труб) Внутренний (на листовой стали)	159; 273; 325; 426; 530; 630 400; 500; 600; 800; 1000; 1200; 1400; 1600; 1800; 2000; 2200; 2400; 2600; 2800; 3000	325 *1 ; 426*1 ; 530*1 ; 630*1 400 *1 ; 500*1 ; 600*1 ; 800; 1000; 1200; 1400; 1600*2 ; 1800*2 ; 2000*2 ; 2200*2 ; 2400*2 ; 2600*2 ; 2800*2	— 800; 1000; 1100; 1200; 1300; 1500; 1600; 1800
Наружный диаметр х толщина стенки теплообменных труб, мм	16х1,5; 16х2; 20х2; 25х1,5; 25х2; 25х2,5; 38х2; 57х3	20х2; 25х2; 25х2,5; 38х2	20х2; 25х2; 25х2,5	20х2; 25х2; 25х2,5
Длина прямого участка теплообменных труб, мм	1000; 1500; 2000; 3000; 4000; 6000; 8000; 9000	3000; 4000; 6000; 9000 *1	6000; 9000

^*1 -Только для аппаратов с плавающей головкой и U-образными трубами,

^*2 -Только для аппаратов с паровым пространством.

1.3 Виды кожухных теплообменников:

• с плавающей камерой
• с жестким креплениями концов труб в трубных досках
• с поперечными пусками труб
• с линзовым компенсатором
• с симфольным компенсатором на патрубке
• с промежуточными перегородками по длине труб
• U-образные

1.4 Обзор конструкций оборудования

Испарители (кипятильники) предназначены для испарения потока жидкости с использованием специального нагревающего агента, обычно водяного пара. На-грев и испарение в этих аппаратах являются целевыми процессами, а охлаждение греющего агента побочным. К таким аппаратам относятся кипятильники любой установки, предназначенные для нагрева и испарения получаемых продуктов.

Кожухотрубчатые теплообменники могут использоваться в качестве холодильников, конденсаторов и испарителей.

На рисунке 2.1 изображен кожухотрубчатый двухходовой по трубному пространству горизонтальный холодильник, предназначенный для теплообмена между теплоносителями без изменения их агрегатного состояния.

1 — крышка распределительной камеры; 2 — распределительная, камера; 3 — кожух; 4 — теплообменная труба; 5 — перегородка с сегментным вырезом; 6 — линзовый компенсатор; 7 — штуцер; 8 — крышка.

Рисунок 2.1 — Кожухотрубчатый двухходовой горизонтальный теплообменник

В кожухотрубчатых испрителях в трубном пространстве кипит жижкость,а в межтрубном простарнстве может быть жидкий,газообразный,парообразный,парогазовый или парожидкостный теплоноситель.Однако на практике встречаются испарители,в которых испарение происходит в межтрубном пространстве. Могут быть двух или четерехходовыми, горизонтальными,длиной 3,6 и 9м или вертикальными высотой 3м.

Теплообменники с U-образными трубами применяют для нагрева и охлаждения жидких или газообразных сред без изменения их агрегатного состояния.

1 — распределительная камера; 2 — кожух; 3 — теплообменная труба; 4 — перегородка с сегментным вырезом; 5 — штуцер.

Рисунок 2.3 — Кожухотрубчатый теплообменник с U-образными трубами

Такие теплообменники рассчитаны на давление до 6,4 МПа, отличаются от холодильников с плавающей головкой менее сложной конструкцией (одна труб-ная решетка, нет внутренней крышки), однако могут быть лишь двухходовыми из труб только одного сортамента: 20 х 2 мм.

Кожухотрубчатые испарители с трубными пучками из U-образных труб или с плавающей головкой имеют паровое пространство над кипящей в кожухе жидкостью.

1.5 Преимущества кожухотрубных теплообменников:

• простота конструкции
• легкость обслуживания и монтажа
• хорошая работа в агрессивных средах
• высокая тепловая мощность (выше, чем у пластинчатых)
• легкая очистка
• выше срок службы
• безопасность, риск смешения рабочих сред низок
• эксплуатация дешева

Они используются в тепло- и холодо- обеспечении, вентиляции и кондиционировании. Сферы применения — химическая, металлургическая, машиностроение, фармацевтическая, целлюлозно-бумажная, пищевая (сахарная, растительное масло, молокозаводы), тепловые и атомные станции, нефтеперерабатывающие заводы.

2.1 Пример уже рассчитанного кожухотрубного теплообменника

Горячий теплоноситель (масло турбинное):

расход .G ₁ , кг/c ………………………………………………. 0,75;

температура масла на входе t? ₁ , °С………………… 45;

Холодный теплоноситель (вода):

расход G ₂ , кг/c ………………………………………………. 5,4;

• температура воды на входе t?2 , °С…………………. 25.

Решение

1. Для определения теплофизических свойств теплоносителей зададимся их температурами на выходе из теплообменника. Примем, что на выходе масла и воды соответственно они равны: t₁ » =36^0C , t₂ » = 26^0C .

2. Средние температуры теплоносителей

3. Теплофизические свойства теплоносителей при средних температурах:

Данные взяты из методике: Теплообменные процессы и установки. Московский энергетический институт. Под руководством О.Л.Данилова.

Масло: с ₁ = 865 кг/м³ , Ср₁ =1930 дж/(кг·К),л₁ =0,128 Вт/(м·К),

н ₁ =35·10^-6 м² /с, м₁ = 30,3·10^-3 кг/(м·с), Pr₁ =421

Вода: с ₂ = 995 кг/м³ ,Ср₂ = 4180 дж/(кг·К), л₂ = 0,61 Вт/(м·К),

н ₂ = 0,985·10^-6 м² /с, Pr₂ = 6,5

4. Шаг между поперечными перегородками в межтрубном пространстве

5. Скорость воды в трубах

6. Число Рейнольдса для воды

7. Число Нуссельта при турбулентном течении

8. Коэффициент теплоотдачи со стороны воды

9. Число трубок в среднем сечении кожуха теплообменника

10. Принимаем отношение высоты сегмента к диаметру обечайки h/D₀ = 0,25.

Тогда для t _п /D₀ = 0,0746/0,16 = 0,466 из табл.1 находим ч = 0,81

	vч
h/D 0	0,15	0,2	0,25	0,3
0,2	0,83	1,051	1,23	1,4
0,3	0,67	0,858	1,05	1,135
0,4	0,587	0,743	0,872	0,983
0,5	0,525	0,665	0,775	0,880

11. Живое сечение по межтрубному пространству равно

12. Скорость масла в межтрубном пространстве

13. Число Re₁

14. Принимая число рядов труб Z равным числу труб в среднем сечении кожуха теплообменника n₀ , из уравнения находим поправку на число рядов труб по ходу теплоносителя в межтрубном пространстве.

ц _z =0,816+0,0361·Z+0,18·10^-3 ·Re-0,143·10^-2 ·Z² +0,353·10^-7 ·Re² +0,932·10^-5 ·Z·Re = 0,816+0,0361·8+0,18·10^-3 ·100-0,143·10^-2 ·8² +0,353·10^-7 ·100² +0,932·10^-5 ·8·100= 1,00

15. Принимаем температуру стенки труб в теплообменнике t_с =31 ⁰ С, число Прандтля при этой температуре Pr_С = 919. И число Нуссельта

16. Коэффициент теплоотдачи со стороны горячего теплоносителя

17. Коэффициент теплопередачи, отнесенный к внутренней поверхности трубок

18. Тепловые эквиваленты теплоносителей

W ₁ =G₁ Cp₁ =0,751930=1450Вт/КW₂ =G₂ Cp₂ =5,44180=22200 Вт/К

Так как W ₂ >W₁ , W₂ -максимальный тепловой эквивалент (W_мак ), a W₁ -минимальный (W_мин ).

Обозначим =W _мин/ W_макс =0,0653

Тогда число единиц переноса

19. Эффективность теплообменника (при числе ходов больше трех в противоточно-перекрестном аппарате можно использовать зависимость е = f(N;щ) для чистого противотока)

20. Температура горячего и холодного теплоносителей на выходе из аппарата

Полученные значения температур теплоносителей на выходе из теплообменника не существенно отличаются от ранее принятых (см.п.2), поэтому считаются окончательными

21. Тепловая мощность аппарата без учета потерь теплоты в окружающую среду

С учетом тепловых потерь в теплообменнике (обычно до 3 %)

С учетом тепловых потерь при транспорте нагретой воды (5 %) и в установке комбинированного производства теплоты и холода (3 %)

22. Степень утилизации теплоты турбинного масла (максимально возможное количество утилизируемой теплоты при работающей турбине определяется диапазоном изменения температуры масла в ее системах смазки и регулирования).

Расчет гидравлических сопротивлений

23. Средняя температура стенки

Данной температуре соответствует коэффициент динамической вязкости

м _ст = 61,2·10^-3 кг/(м с)

24. Коэффициент сопротивления по межтрубному пространству находим по уравнению

25. Гидравлическое сопротивление по межтрубному пространству с m числом перегородок и, следовательно, с (m + 1) числом ходов по межтрубному пространству

26. Коэффициент сопротивления по водяному тракту при турбулентном режиме течения внутри гидравлически гладкой трубы трубы

27. Гидравлическое сопротивление по водяному тракту

28. Расчёт площади поверхности теплообмена

29. Расчёт t_max и t_min

t _max =t’₁ -t»₂ = 45-26=19⁰ C

t _min = t»₁ -t’₂ = 36-25=11⁰ C

30. Расчёт t_{средней}

31. Расчёт площади теплообмена

2.2 Расчёт рассчитываемого кожухотрубного теплообменника

Горячий теплоноситель (масло турбинное):

расход .G ₁ , кг/c ………………………………………………. 2,5;

температура масла на входе t? ₁ , °С………………… 45;

Холодный теплоноситель (вода):

расход G ₂ , кг/c ………………………………………………. 6,4;

• температура воды на входе t?2 , °С…………………. 25.

Решение

1. Для определения теплофизических свойств теплоносителей зададимся их температурами на выходе из теплообменника. Примем, что на выходе масла и воды соответственно они равны: t₁ » =36^0C , t₂ » = 26^0C .

2. Средние температуры теплоносителей

3. Теплофизические свойства теплоносителей при средних температурах:

Данные взяты из методике: Теплообменные процессы и установки. Московский энергетический институт. Под руководством О.Л.Данилова.

Масло: с ₁ = 865 кг/м³ , Ср₁ =1930 дж/(кг·К),л₁ =0,128 Вт/(м·К),

н ₁ =35·10^-6 м² /с, м₁ = 30,3·10^-3 кг/(м·с), Pr₁ =457

Вода: с ₂ = 995 кг/м³ ,Ср₂ = 4180 дж/(кг·К), л₂ = 0,61 Вт/(м·К),

н ₂ = 0,985·10^-6 м² /с, Pr₂ = 6,5

4. Шаг между поперечными перегородками в межтрубном пространстве

5. Скорость воды в трубах

6. Число Рейнольдса для воды

7. Число Нуссельта при турбулентном течении

8. Коэффициент теплоотдачи со стороны воды

9. Число трубок в среднем сечении кожуха теплообменника

10. Принимаем отношение высоты сегмента к диаметру обечайки h/D₀ = 0,25.

Тогда для t _п /D₀ = 0,0746/0,16 = 0,466 из табл.1 находим ч = 0,81

	vч
h/D 0	0,15	0,2	0,25	0,3
0,2	0,83	1,051	1,23	1,4
0,3	0,67	0,858	1,05	1,135
0,4	0,587	0,743	0,872	0,983
0,5	0,525	0,665	0,775	0,880

11. Живое сечение по межтрубному пространству равно

12. Скорость масла в межтрубном пространстве

13. Число Re₁

14. Принимая число рядов труб Z равным числу труб в среднем сечении кожуха теплообменника n₀ , из уравнения находим поправку на число рядов труб по ходу теплоносителя в межтрубном пространстве.

ц _z =0,816+0,0361·Z+0,18·10^-3 ·Re-0,143·10^-2 ·Z² +0,353·10^-7 ·Re² +0,932·10^-5 ·Z·Re = 0,816+0,0361·8+0,18·10^-3 ·100-0,143·10^-2 ·8² +0,353·10^-7 ·100² +0,932·10^-5 ·8·100= 1,07

15. Принимаем температуру стенки труб в теплообменнике t_с =31 ⁰ С, число Прандтля при этой температуре Pr_С = 919. И число Нуссельта

16. Коэффициент теплоотдачи со стороны горячего теплоносителя

17. Коэффициент теплопередачи, отнесенный к внутренней поверхности труб

18. Тепловые эквиваленты теплоносителей

W ₁ =G₁ Cp₁ =2,51930=4825 Вт/КW₂ =G₂ Cp₂ =6,44180=26752 Вт/К

Так как W ₂ >W₁ , W₂ -максимальный тепловой эквивалент (W_мак ), a W₁ -минимальный (W_мин ).

Обозначим =W _мин/ W_макс =0,1804

Тогда число единиц переноса

19. Эффективность теплообменника (при числе ходов больше трех в противоточно-перекрестном аппарате можно использовать зависимость е = f(N;щ) для чистого противотока)

20. Температура горячего и холодного теплоносителей на выходе из аппарата

Полученные значения температур теплоносителей на выходе из теплообменника не существенно отличаются от ранее принятых (см.п.2), поэтому считаются окончательными

21. Тепловая мощность аппарата без учета потерь теплоты в окружающую среду

С учетом тепловых потерь в теплообменнике (обычно до 3 %)

С учетом тепловых потерь при транспорте нагретой воды (5 %) и в установке комбинированного производства теплоты и холода (3 %)

22. Степень утилизации теплоты турбинного масла (максимально возможное количество утилизируемой теплоты при работающей турбине определяется диапазоном изменения температуры масла в ее системах смазки и регулирования).

Расчет гидравлических сопротивлений

23. Средняя температура стенки

Данной температуре соответствует коэффициент динамической вязкости

м _ст = 61,2·10^-3 кг/(м с)

24. Коэффициент сопротивления по межтрубному пространству находим по уравнению

25. Гидравлическое сопротивление по межтрубному пространству с m числом перегородок и, следовательно, с (m + 1) числом ходов по межтрубному пространству

26. Коэффициент сопротивления по водяному тракту при турбулентном режиме течения внутри гидравлически гладкой трубы трубы

27. Гидравлическое сопротивление по водяному тракту

28. Количество теплоты

29. Расчёт t_max и t_min

t _max =t’₁ -t»₂ = 45-26=19⁰ C

t _min = t»₁ -t’₂ = 36-25=11⁰ C

30. Расчёт t_{средний}

31. Расчёт площади поверхности теплообмена

1. Тепловой расчет кожухотрубного теплообменника. [WWW] (18.03.2014)

2. Кожухотрубный теплообменник. [WWW] (18.03.2014)

3. Кожухотрубный теплообменник. [WWW] http://79w.ru/otoplenie/otopitelnoe-oborudovanie/kozhuxotrubnyj-teploobmennik-soveti (03.03.2014)

4. Основные типы теплообменников. [WWW] (10.01.2014)

5. Кожухотрубчатые теплообменники. [WWW] (10.01.2014)