Сновы теплопередачи в теплообменной аппаратуре

еоретическая часть 3

2. Рассчет водо-водяного теплообменника типа «труба в трубе» 6

2.1. Задание на проектирование водо-водяного теплообменника

типа «труба в трубе» 6

2.2. Рассчет водо-водяного теплообменника типа «труба в трубе» 6

иблиографический список 10

сновы теплопередачи в теплообменной аппаратуре

Перенос энергии в форме тепла, происходящий между телами, имеющими различную температуру, называется теплообменом. Движущей силой любого процесса теплообмена является разность температур более нагретого и менее нагретого тел, при наличии которой тепло самопроизвольно переходит от более нагретого к менее нагретому телу. Тела, участвующие в теплообмене называются теплоносителями.

Теплопередача - наука о процессах распространения тепла. Законы теплопередачи лежат в основе тепловых процессов - нагревания, охлаждения, конденсации паров, выпаривании и имеют большое значение для проведения многих массообменных, а также химических процессов, протекающих с подводом или отводом тепла.

Различают три способа распространения тепла:

Теплопроводность - представляет собой перенос тепла вследствие беспорядочного (теплового) движения микрочастиц непосредственно соприкасающихся друг с другом. Это движение может происходить либо движением самих молекул, либо колебанием атомов (кристаллическая решетка твердых тел), либо диффундированием свободных электронов в металле.

Конвекция - это перенос тепла вследствие движения и перемешивания макроскопических объёмов жидкости или газа. Различают естественную или свободную конвекцию, которая обусловлена разностью плотностей в различных точках объема жидкости или газа, возникающие вследствие разности температур, и вынужденную конвекцию, которая возникает при принудительном движении всего объема жидкости или газа (перемешивание).

Тепловое излучение - процесс распространения электромагнитных колебаний с различной длиной волны, обусловленный тепловым движением атомов или молекул излучающего тепла.

В реальных условиях тепло передается не каким-либо одним способом, а комбинированным путем.

Перенос тепла от стенки в газообразной или жидкой среде или в обратном направлении называется теплоотдачей.

Различают установившиеся (стационарные) процессы теплообмена для непрерывно действующих аппаратов и неустановившиеся - для периодически действующих аппаратов.

Теплоносители, имеющие более высокую температуру, чем нагреваемая среда и отдающие тепло, называются нагревающими агентами. Теплоносители с более низкой температурой - охлаждающие агенты. Выбор теплоносителя зависит от требуемой температуры нагрева или охлаждения и необходимости её регулирования. Промышленный теплоноситель должен обеспечивать достаточно высокую интенсивность теплообмена при небольших массовых и объемных его расходах. Соответственно он должен обладать малой вязкостью, но высокими плотностью, температурой и теплотой парообразования. Желательно также, чтобы теплоноситель был не горюч, не токсичен, термически стоек, не оказывал разрушающего действия на материал теплообменника и вместе с тем являлся бы достаточно доступным и дешевым веществом.

В зависимости от способа передачи тепла различают две основные группы теплообменников:

Поверхностные теплообменники, в которых перенос тепла между средами происходит через разделяющую их поверхность теплообмена - глухую стенку.

Теплообменники смешения, в которых тепло передаётся от одной среды к другой при непосредственном соприкосновении.

Поверхностные теплообменники имеют различное конструктивное оформление. Ниже рассмотрим некоторые наиболее часто встречающиеся конструкции теплообменников.

Кожухотрубчатые теплообменники - являются наиболее распространенными аппаратами вследствие компактного размещения большой теплопередающей поверхности в единице объема аппарата. Поверхность теплообмена в нем образуется пучком параллельно расположенных трубок, концы которых закреплены в двух трубных досках. Трубки заключены в цилиндрический кожух, приваренный к трубным доскам или соединенный с ними фланцами. К трубным решеткам крепятся на болтах распределительные головки (днища), что позволяет легко снять их и произвести чистку трубок или в случае необходимости заменить новыми. Для подачи и отвода теплообменивающихся сред в аппарате имеются штуцеры. Для равномерного распределения трубки размещаются в решетках обычно по периметрам правильных шестиугольников, реже - по вершинам квадратов.

Выше указывались преимущества проведения процесса теплообмена по принципу противотока. При этом охлаждаемую среду можно направить сверху вниз, а нагреваемую навстречу ей, или наоборот. Правильным является первый путь, т.к. он соответствует "естественному стремлению" обеих сред. Кроме того, при указанных направлениях движения достигается более равномерное распределение скоростей и идентичные условия теплообмена по площади поперечного сечения аппарата.

Одноходовый теплообменник имеет небольшой расход жидкости, соответственно небольшие скорости движения в трубах и поэтому низкий коэффициент теплопередачи. Для увеличения коэффициента теплопередачи при данной поверхности теплообмена можно уменьшить диаметр труб, увеличив их длину. Однако такие теплообменники имеют повышенный расход материала и неудобны для монтажа, поэтому увеличение скорости теплообмена достигается за счет использования многоходовых теплообменников.

Разбивку на секции в многоходовых теплообменниках производят таким образом, чтобы во всех секциях находилось одинаковое число труб. Вследствие меньшей площади суммарного поперечного сечения труб, размещенных в одной секции по сравнению с поперечным сечением всего пучка труб, скорость жидкости в трубном пространстве многоходового теплообменника возрастет в число раз, равное числу ходов. Для увеличения скорости и удаления пути движения среды в межтрубном пространстве ставятся сегментные перегородки. Повышение эффективности теплообмена в многоходовых теплообменниках сопровождается возрастанием гидравлического сопротивления (увеличение расхода энергии на перемещение жидкости) и усложнением конструкции теплообменника. Многоходовые теплообменники работают по принципу смешанного тона.

Теплообменник типа "труба в трубе" - состоит из нескольких последовательно соединенных трубчатых элементов, оборудованными двумя концентрически расположенными трубами (теплообменники этого типа смонтированы из труб, каждая из которых окружена трубой несколько большего диаметра). Одна среда течет во внутренней трубе, другая - по кольцевому каналу. Внутренние трубы соединены последовательно "калачами", а наружные - патрубками. При необходимости получить большую поверхность теплопередачи возможно не только последовательное, но и параллельное и комбинированное соединение таких секторов с помощью коллекторов. Благодаря небольшим поперечным сечениям трубного и межтрубного пространства в данных теплообменниках достигаются довольно высокие скорости жидкости. Это позволяет получить более высокие коэффициенты теплоотдачи и соответственно теплопередачи и достигать более высоких тепловых нагрузок на единицу массы аппарата, чем в кожухотрубчатых теплообменниках. Однако данные теплообменники более громоздки и требуют большего расхода металла на единицу поверхности теплообмена, чем кожухотрубчатые. Теплообменники данного типа могут эффективно работать при небольших расходах теплоносителей и высоких давлениях.

Ниже представлена конструкция теплообменника типа "труба в трубе".

Рисунок 1. Конструкция теплообменника типа "труба в трубе".

2. РАСЧЕТ ВОДО-ВОДЯНОГО ТЕПЛООБМЕННИКА ТИПА «ТРУБА В ТРУБЕ»

2.1. Задание на проектирование водо-водяного теплообменника

типа «труба в трубе»

Произвести тепловой расчет водо-водяного теплообменника типа «труба в трубе». Определить площадь поверхности нагрева и число секций противо­точного теплообменника при следующих условиях:

1) коэффициент теплопроводности стальной трубы λ_ст = 57 Вт/м • °С;

2) длина одной секции l = 2 м;

3) температура греющей воды на входе t′_ж1= 100 °С;

4) температура греющей воды на выходе tʺ_ж1 = 60 °С;

5) греющая вода движется по внутренней стальной трубе диаметром d₂ / d₁ = 57 / 51 мм;

6) температура нагреваемой воды на входе t′_ж2= 10 °С;

7) температура греющей воды на выходе tʺ_ж2 = 35 °С;

8) диаметр внешней трубы D₂/D₁ = 57/51;

9) количество передаваемой теплоты Q = 95 кВт.

2.2.

2.3.

2.4.

2.5.

2.6.

2.7.

2.8.

2.9. Расчет водо-водяного теплообменника вида «труба в трубе»

Расчет теплообменника начинаем с определения физических свойств греющего и нагреваемого теплоносителей, для чего находим среднеарифме­тические значения их температур:

t_ср1 = 0,5(t′_ж1+ tʺ_ж1) = 0,5(100+60) = 80°С;

t_ср2 = 0,5(t′_ж2+ tʺ_ж2) = 0,5(10+35) = 22,5°С;

По табл. 2 (прил. 2) выписываем физические свойства воды при соответ­ствующих температурах и их значения вписываем в табл. 1.

Физические величины	Для воды
при t = 80°С	при t = 23°С
Плотность, кг/м3	ρв = 997,45	ρв = 971,8
Теплоемкость, кДж/(кг·°С)	ср = 4,180	ср = 4,185
Теплопроводность, Вт/(м·°С)	λж2 = 0,6047	λж1 = 0,674
Кинематическая вязкость, м2/с	νж2 = 0.9859·10-6	νж1 = 0.365·10-6
Критерий Прандтля для среды	Prж2 = 2,54	Prж1 = 2,21

Из уравнения теплового баланса определяем расходы теплоносителей

Q = G₁c_p1 (t′₁+ tʺ₁) = G₂c_p2 (t′_ж2+ tʺ_ж2) =_;

Определяем скорость движения греющей воды

ω₁ =

Определяем скорость движения нагреваемой воды

ω₂ =

Число Рейнольдса для потока греющей воды

Re_ж1 =

Так как число Re > 10⁴, режим течения турбулентный, поэтому расчёт числа Нуссельта ведем по следующему выражению:

Nu_ж1 = 0,021

Так как температура стенки неизвестна, то в первом приближении задаемся ее значением

t_c1 ≈ 0,5(t_ср1+ t_ср2) =0,5(80+23) = 51,5°С

Число Прандтля по температуре стенки t_ст1 = 51,5С, Pr =3,176.

Число Нуссельта со стороны греющей воды

Nu_ж1 = 0,021·30835^0,8

Находим коэффициент теплоотдачи от греющей воды к стенке трубы

α₁ = Nu_ж1

Число Рейнольдса для потока нагреваемой воды

Re_ж2 =

где d_э = D₁- d₂ =0.051-0.045 = 0.006 м.

Так как число Re > 10⁴, режим течения турбулентный.

Принимаем в первом приближении температуру стенки со стороны нагреваемой воды

t_c2 = t_c1 = 56,5°С

Число Прандтля по принятой температуре стенки

Pr_c2 = Pr_c1 =3,176.

Число Нуссельта со стороны нагреваемой воды определяем по выражению

Nu_ж2 =

Коэффициент теплоотдачи от стенки к нагреваемой воде

α₂ = Nu_ж2

Так как d₂/d₁ < 2, то расчет коэффициента теплопередачи можем вести по уравнению плоской стенки, где

K=

где δ = d₁-d₂/2 — толщина стенки; δ = 0,045 – 0,041/2 = 0,002 м.

Определяем наибольший и наименьший температурные напоры

∆t₆ = t′_ж1+ tʺ_ж2 = 95-55 = 40°С;

∆t_м = t′_ж1+ tʺ_ж2 = 50-16 = 34°С;

Рассчитываем средний логарифмический температурный напор

t_ср =

Определяем плотность теплового потока

q = K∆t_ср = · = 68257,7 Вт/м².

Площадь поверхности нагрева

F = =

Определяем число секций

n=

Находим температуру стенки трубы со стороны греющей воды

=

Число Прандтля при этой температуре находим по табл. 2 (прил. 2) Pr=3,495

Уточненное значение поправки на изменение физических свойств греющей жидкости

В первом приближении было принято

Находим температуру стенки трубы со стороны нагреваемой воды

=

Число Прандтля при этой температуре находим по табл. 2 (прил. 2) Pr=3,855

Уточненное значение поправки на изменение физических свойств нагреваемой жидкости

В первом приближении было принято

Так как уточненное значение поправки греющего теплоносителя не отличается от принятого более чем на 5 %, то производить перерасчет во втором приближении не требуется.

иблиографический список

1) Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии

(Учебник для вузов - 10-е изд., стереотипное, доработанное. Перепечатано с изд.
1973 г. — М.: ООО ТИД «Альянс», 2004. — 753 с., илл.— ISBN 5-98535-004-5, dpi300, навигатор.)

2) Карапузова Н.Ю., Фокин В.М. Расчет теплообменных аппаратов

(Методические указания к курсовому и дипломному проектированию. — Волгоград: ВолгГАСУ, 2013. — 68 с.)