Основное уравнение теплопередачи

Расчет кожухотрубчатого теплообменника

Учебное пособие

Северск 2010

УДК 66.011

ББК

П 368

Пищулин В.П. Расчет кожухотрубчатого теплообменника: учебное пособие/ В.П. Пищулин.– Северск: СТИ НИЯУ МИФИ, 2010. – 37 с.

Учебное пособие предназначено для студентов специальностей 240801 – «Машины и аппараты химических производств» и 240601 – «Химические материалы современной энергетики» при выполнении расчетно-практических работ по курсу «Процессы и аппараты химической технологии».

В пособии приводятся методика и расчета тепловой нагрузки аппарата, коэффициентов теплоотдачи и теплопередачи, удельного теплового потока, поверхности теплопередачи, конструктивного и гидравлического расчетов теплообменника.

Пособие подготовлено на кафедре «Машины и аппараты химических производств» СТИ НИЯУ МИФИ и будет полезным студентам специальностей 240801 и 240601 при выполнении курсовых и дипломных проектов.

Пособие одобрено на заседании кафедры МАХП (протокол № 4 от
« 30 » марта 2010 г.).

Рецензенты: Миронов В.М., доцент кафедры ОХТ ТПУ, канд.техн.наук.;

Балясников А.В., инженер-конструктор ЗРИ СХК;

Сваровский А.Я., профессор кафедры МАХП СТИ, д-р.техн.наук.

Печатается в соответствии с планом выпуска учебно-методической литературы на 2010 г., утвержденным Ученым советом СТИ НИЯУ МИФИ

Рег. № 8/10 от « 18 » марта 2010 г.

ISBN_____ © Северский технологический институт, 2010г.

Содержание

Введение................................................................................................. 4

Цель расчета........................................................................................ 7

2 Состав и объем расчета...................................................................... 7

3 Тепловой расчет аппарата.................................................................. 8

3.1 Тепловая нагрузка аппарата....................................................... 8

3.2 Основные уравнения теплопередачи........................................... 9

3.3 Расчет средней разности температур и средних температур

теплоносителей............................................................................. 10

3.4 Расчет коэффициента теплоотдачи от конденсирующегося пара

к стенке.......................................................................................... 11

3.5 Расчет коэффициента теплоотдачи от стенки к жидкости………..13

3.6 Определение истинных значений удельного теплового потока,

коэффициента теплопередачи, температур стенок, поверхности

теплопередачи.............................................................................. 17

3.7 Расчет истинных значений удельного теплового потока,

коэффициентов теплоотдачи и теплопередачи, температуры

стенок на ПК................................................................................. 23

4 Конструктивный расчет теплообменника.......................................... 25

4.1 Цель конструктивного расчета теплообменника........................ 25

4.2 Определение числа труб и числа ходов в трубном пространстве 26

4.3 Внутренний диаметр корпуса...................................................... 27

4.4 Диаметр патрубков...................................................................... 28

5 Гидравлический расчет теплообменника........................................... 29

Литература.......................................................................................... 31

Приложение А (рекомендуемое). Исходные данные контрольного

примера по расчету теплообменника............................... 32

Приложение Б (рекомендуемое). Результаты расчета......................... 33

Приложение В (обязательное). Задания на расчет кожухотрубчатого

теплообменника................................................................. 34

Введение

Теплообменная аппаратура широко применяется в химической технологии в различных процессах нагревания, охлаждения растворов, жидкостей, конденсации пара, испарения жидкости.

Теплообменники должны отвечать таким требованиям, как высокая тепловая производительность и экономичность в работе при обеспечении заданных технологических условий процесса, простота конструкции, ее компактность, удобство монтажа и ремонта, надежность в работе, техническое и эстетическое соответствие времени, согласование требованиям охраны труда и техники безопасности, правилам Госгортехнадзора.

Кожухотрубчатые теплообменники в настоящее время являются самыми распространенными теплообменными аппаратами. Они обеспечивают высокую теплопроизводительность, большую поверхность теплопередачи [5-9]. Наиболее целесообразно применение кожухотрубчатых теплообменников для парожидкостного теплообмена, пример одного из них приведен на рисунке 1.

1 – поперечные перегородки межтрубного пространства;

2,3 – опорные лапы при вертикальном и горизонтальном расположении аппарата; 4 – штуцеры для входа и выхода из межтрубного пространства; 5 – трубные решетки; 6 – штуцеры для входа и выхода из трубного пространства; 7 – крышки; 8 – трубы;

9 – корпус

Рисунок 1 – Кожухотрубчатый теплообменный аппарат

В этом случае пар конденсируется в межтрубном пространстве, обеспечивая равномерность температуры и высокий коэффициент теплоотдачи, а раствор или жидкость пропускается по трубному пространству, в котором можно достичь высокой скорости движения, создать турбулентный режим, тем самым повысить интенсивность теплообмена. С целью увеличения скорости движения теплоносителя и интенсификации теплообмена в теплообменнике устанавливают перегородки в трубном или межтрубном пространствах, как показано на рисунке 2, то есть выполняют теплообменники многоходовыми.

Для компенсации разности тепловых удлинений при значительной разности температур стенок и корпуса в теплообменниках устанавливают компенсационные устройства: линзовые, сальниковые, сильфонные, мембранные, выполняют теплообменники с плавающей головкой, с U-образными трубками, трубками Фильда. Наиболее простым компенсатором тепловых удлинений является линзовый компенсатор, устанавливаемый на корпусе теплообменника и позволяющий греющим трубкам удлиняться в определенных пределах без остаточных деформаций, как показано на рисунке 3. Теплообменники с линзовыми компенсаторами применимы при сравнительно низком давлении (до 1 МПа) в межтрубном пространстве.

Более сложным по конструкции, но с практически неограниченной компенсацией тепловых удлинений трубного пучка являются кожухотрубчатые теплообменники с плавающей головкой, имеющие одну жестко закрепленную и вторую свободно перемещающуюся совместно с плавающей головкой трубные решетки, как показано на рисунке 4. Они могут надежно работать практически при любой встречающейся в теплообменной аппаратуре разности температур теплоносителей. В теплообменниках с плавающей головкой также облегчается разборка и чистка межтрубного пространства.

Кожухотрубчатые теплообменники могут выполняться в вертикальном и горизонтальном исполнении.

Рисунок 3 – Кожухотрубчатый

теплообменник с линзовым

компенсатором

Рисунок 4 – Кожухотрубчатый

теплообменник с плавающей

головкой

Расчету кожухотрубчатого парожидкостного теплообменника посвящена данная работа.

Цель расчета

Целью расчета является закрепление теоретических выводов и расчетно-практических рекомендаций по курсу «Процессы и аппараты химической технологии» и их приложение к конкретному расчету кожухотрубчатого горизонтального или вертикального парожидкостного теплообменника.

Состав и объем расчета

2.1 Состав и объем расчета определяются заданием. Расчет состоит из пояснительной записки с эскизами, оформленной в соответствии с ГОСТами ЕСКД.

2.2 Пояснительная записка содержит следующую документацию и разделы:

- титульный лист;

- задание;

- содержание;

- введение;

- эскиз аппарата;

- тепловой расчет;

- конструктивный расчет;

- гидравлический расчет;

- заключение;

- литература.

2.2.1 В введении описывается современное состояние в области теплообмена, конструировании теплообменной аппаратуры, указываются особенности рассчитываемой конструкции, ее достоинства, недостатки, формулируется задача расчета.

2.2.2 В тепловом расчете составляется тепловой баланс теплообменника, определяется тепловая нагрузка аппарата, рассчитываются средняя разность температур и средние температуры теплоносителей, коэффициент теплопередачи, удельный тепловой поток, температуры стенок и поверхность теплопередачи.

2.2.3 В конструктивном расчете производится выбор диаметра и длины теплообменных труб, определение числа труб и числа ходов в трубном пространстве, рассчитываются диаметр корпуса, диаметры патрубков. По результатам конструктивного расчета осуществляется компоновка теплообменника и вычерчивается эскиз аппарата.

2.2.4 Гидравлический расчет производится для трубного пространства теплообменника. В нем определяется гидравлическое сопротивление аппарата, мощность насоса, необходимого для подачи нагреваемого раствора в трубки теплообменника со скоростью, принятой в тепловом расчете.

2.2.5 В заключении указываются основные характеристики теплообменника, делаются выводы об интенсивности процесса теплопередачи в рассчитанном аппарате, приводятся рекомендации по эксплуатации.

Тепловой расчет аппарата

Тепловая нагрузка

Целью теплового расчета теплообменного аппарата является определение тепловых потоков в аппарате, его тепловой нагрузки, истинных значений коэффициентов теплопередачи, температур стенок и поверхности теплообмена.

В кожухотрубчатом теплообменнике в случае конденсации пара, пар направляют в межтрубное пространство теплообменника, а жидкость – холодный теплоноситель пропускают по трубному пространству, тем самым достигаются более высокие скорости жидкости, а следовательно и коэффициент теплоотдачи и коэффициент теплопередачи.

Тепловую нагрузку аппарата определяют из уравнения теплового баланса [4-7] по формуле

, (1)

где Q¢ – тепловая мощность, Вт;

– количество тепла, Дж;

– время, с;

– расход пара, кг/с;

– энтальпия насыщенного пара, Дж/кг,

;

– энтальпия конденсата, Дж/кг;

– удельная теплота парообразования или конденсации, Дж/кг;

– коэффициент полезного использования тепла в аппарате;

– массовый расход жидкости второго теплоносителя, кг/с;

– удельная теплоемкость жидкости, Дж/(кг×К);

– конечная температура жидкости, К;

– начальная температура жидкости, К.

При выборе температур теплоносителей необходимо, чтобы минимальная разность температур теплоносителей была не меньше 5 °С. В случае расчета конденсаторов, когда в качестве холодного теплоносителя применяется необработанная вода, конечная температура воды не должна превышать
45-50 °С, чтобы исключить образование накипи в трубках теплообменника вследствие выпадания солей временной жесткости

При расчете подогревателей, когда в качестве теплоносителя применяется насыщенный водяной пар, используется в процессе передачи тепла только тепло конденсации пара и конденсат греющего пара отводится при температуре конденсации. Использование тепла охлаждения конденсата в трубчатых теплообменниках нецелесообразно, вследствие малой скорости движения конденсата в межтрубном пространстве и малого коэффициента теплоотдачи.

Тепловой баланс теплообменника оформляется в виде таблицы теплового баланса, как показано в таблице 1.

Таблица 1 – Тепловой баланс кожухотрубчатого теплообменника

Приход	Расход
Статьи прихода	Вт	%	Статьи расхода	Вт	%
1 Тепло греющего пара			1 Тепло конденсата греющего пара
2 Тепло поступающей жидкости			2 Тепло нагретой жидкости
			3 Тепловые потери в окружающую среду
Итого			Итого

Основное уравнение теплопередачи

Количество тепла, передаваемого от горячего теплоносителя к холодному через разделяющую их стенку, определяется уравнением теплопередачи [2-9]

, (2)

где – количество переданного тепла, Дж;

– коэффициент теплопередачи, Вт/(м²×К);

– поверхность теплопередачи, м²;

– средняя разность температур горячего и холодного теплоносителя, К;

– время, с.

Тепловой поток в аппарате или тепловая мощность аппарата, определяется по формуле

, (3)

а удельный тепловой поток

, (4)

где – удельный тепловой поток, Вт/м².

Коэффициент теплопередачи для плоской поверхности теплопередачи и для цилиндрической поверхности теплопередачи при

,

где – толщина стенки, м;

– внутренний диаметр цилиндрической поверхности, м, рассчитывается по формуле

, (5)

где – коэффициент теплоотдачи для горячего теплоносителя, Вт/(м² К);

– коэффициент теплопроводности материала стенки, Вт/(м К);

– сумма термических сопротивлений накипи и загрязнений стенки, м²×К/Вт;

– коэффициент теплоотдачи для холодного теплоносителя, Вт/(м² К).

Из основного уравнения теплопередачи определяется поверхность теплообмена

. (6)

3.3 Расчет средней разности температур и средних температур
теплоносителей

Средняя разность температур между теплоносителями определяется по формуле [4-7]

, (7)

где – средняя разность температур, °С;

– наибольшая разность температур между теплоносителями, °С;

– наименьшая разность температур между теплоносителями, °С.

В случае, если , с достаточной точностью возможно применение формулы

. (8)

Кроме того, средняя разность температур между теплоносителями определяется по формуле

. (9)

где – средняя температура первого теплоносителя, °С;

– средняя температура второго теплоносителя, °С.

Если происходит изменение агрегатного состояния одного из теплоносителей – конденсация пара или кипение раствора, то средняя температура этого теплоносителя равна температуре изменения агрегатного состояния.

Так, в случае конденсации пара в теплообменнике, средняя температура первого (горячего) теплоносителя равна температуре конденсации пара

,

где – температура конденсации пара, °С,

тогда средняя температура второго теплоносителя определяется как разность температуры конденсации греющего пара и средней разности температур, то есть

.