Расчет теплообменных аппаратов. Тепловой расчет теплообменных аппаратов

Печь

09.03.201827.05.2017

Курсовой проект - Проектирование секционного теплообменника (Курсовая)

Курсовой проект - Тепловой расчет парового котла ДЕ-4-1.4 (Курсовая)

Курсовой проект - расчет котельной установки. вариант 14 (Курсовая)

Курсовой проект - Расчет подогревателя сетевой воды вертикального типа (Курсовая)

Курсовой проект Расчет вертикального подогревателя сетевой воды (Курсовая)

Курсовой проект - Расчет котла ДКВР 2,5-13 (Курсовая)

Конахин А.М., Конахина И.А. Расчет теплообменных аппаратов (Документ)

Берман С.С. Расчет теплообменных аппаратов (Документ)

n1.doc

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.

ТЕПЛОВОЙ КОНСТРУКТИВНЫЙ РАСЧЕТ РЕКУПЕРАТИВНОГО КОЖУХОТРУБЧАТОГО ТЕПЛООБМЕННИКА……………………………5

1.1 Расчет количества передаваемого тепла…………………………………7
1.2. Определение интенсивности процессов теплообмена………………....9
1.3. Определение коэффициента теплопередачи…………………………...11
1.4. Определение расчетной площади поверхности теплообмена………...12
1.5. Конструктивный расчет теплообменного аппарата…………………...15
1.6. Определение температуры поверхности стенок трубы……………….16
1.7. Гидравлический расчет теплообменника………………………………18
1.8. Определение толщины тепловой изоляции аппарата…………………20

2. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ПЛАСТИНЧАТОГО ТЕПЛООБМЕННИКА……...22
2.1. Определение расходов и скоростей движения греющего и

Нагреваемого теплоносителей………………………………………….24

2.2. Расчет интенсивности теплообмена при движении теплоносителей между носителями……………………………………………………….26

2.3. Определение площади поверхности теплообмена……………………27

2.4. Расчет гидравлических сопротивлений при движении

Теплоносителей………………………………………………………….28
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

ЛИТЕРАТУРА.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1.
ВВЕДЕНИЕ.
Теплообменные аппараты очень распространены в промышленности. В широком смысле слова к теплообменным относят все аппараты, в которых осуществляется обмен теплом между греющей и нагреваемой средами. В поверхностных теплообменниках греющая среда отделена от нагреваемой поверхностью и тепло в них передается через стенку. К ним относятся:

Теплообменники, в которых тепло горячих дымовых газов передается через поверхность нагрева воде или пару;

Воздухоподогреватели, в которых тепло от газов передается воздуху;

Водо-водяные и пароводяные подогреватели;

Поверхностные конденсаторы для конденсации пара;

Отопительные радиаторы.

Теплообменным аппаратом называется устройство, предназначенное для передачи теплоты от более нагретого теплоносителя к менее нагретому. Теплообмен применяется для осуществления различных технологических процессов: нагревания, охлаждения, конденсации, испарения и т.д. Теплообменные аппараты классифицируются по различным признакам: назначению, компоновке, роду рабочих сред, способу передачи теплоты и др. Наиболее распространена классификация теплообменников по способу передачи теплоты, согласно которому они подразделяются на следующие типы:

Рекуперативные поверхностные аппараты, в которых оба теплоносителя разделены поверхностью теплообмена различной конфигурации;

Регенеративные, в которых процесс передачи теплоты от горячего теплоносителя к холодному происходит с помощью термоаккумулирующей массы, называемой насадкой;

Смесительные, в которых теплообмен происходит при непосредственном соприкосновении теплоносителей.

К поверхностным теплообменникам относятся: трубчатые (кожухотрубчатые, типа «труба в трубе», оросительные, погруженные); пластинчатые; спиральные; аппараты с рубашками; с оребренной поверхностью теплообмена.

В зависимости от взаимного направления потока горячей и холодной жидкости различают три основные схемы движения жидкостей:

Прямоток (жидкости движутся параллельно в одном направлении);

Противоток (жидкости движутся в противоположных направлениях);

Перекрестный ток (одна жидкость движется в направлении, перпендикулярном другой).

ТЕПЛОВОЙ КОНСТРУКТИВНЫЙ РАСЧЕТ РЕКУПЕРАТИВНОГО КОЖУХОТРУБЧАТОГО ТЕПЛООБМЕННИКА.

Кожухотрубчатые теплообменные аппараты могут использоваться в качестве теплообменников, холодильников, конденсаторов и испарителей. Теплообменники предназначены для нагрева и охлаждения, а холодильники – для охлаждения (водой или другим нетоксичным, непожаро- и невзрывоопасным хладагентом) жидких и газообразных сред. Кожухотрубчатые теплообменники могут быть следующих типов:

ТН – теплообменники с неподвижными трубными решетками;

ТК – теплообменники с температурными компенсаторами на кожухе и жестко закрепленными трубными решетками;

ТП – теплообменники с плавающей головкой, жестким кожухом и жестко закрепленной трубной решеткой;

ТУ – теплообменники с U-образными трубками, жестким кожухом и жестко закрепленной трубной решеткой;

ТС – теплообменники с сальником на плавающей головке, жестким кожухом и жестко закрепленной трубной решеткой.

Наибольшая допускаемая разность температур кожуха и труб для аппаратов типа Н может составлять 20-60єС, в зависимости от материала кожуха и труб, давления в кожухе и диаметра аппарата.

Теплообменники и холодильники могут устанавливаться горизонтально и 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- из латуни. Распределительные камеры и крышки выполняют из углеродистой стали.
Данный расчет проводится для определения площади поверхности теплообмена стандартного водо-водяного рекуперативного теплообменника, в котором греющая вода поступает в трубы, нагреваемая вода - в межтрубное пространство.
ЗАДАНИЕ .

Выполнить тепловой конструктивный расчет водо-водяного рекуперативного подогревателя производительностью Q.

Температура греющего теплоносителя на входе в аппарат .

Температура нагреваемого теплоносителя на входе в аппарат

.

Изменение температуры нагреваемого теплоносителя в аппарате

.

Массовый расход греющего теплоносителя

.

Массовый расход нагреваемого теплоносителя

.

Поверхность нагрева выполнена из труб диаметром

.

Трубы в трубной решетке расположены по вершинам равносторонних треугольников. L – длина труб, предварительно принимается равной 3,0 м. Схема движения теплоносителей – противоток. Качество воды – загрязненная. Материал труб теплообменного аппарата – СтУ. Потерями тепла в окружающую среду пренебречь.

Расчет количества передаваемого тепла.

Уравнение теплового баланса для теплообменного аппарата имеет вид:

(1.1.)

где - количество теплоты в единицу времени, отданное греющим теплоносителем,

- количество теплоты в единицу времени, воспринятое нагреваемым теплоносителем,

- потери теплоты в окружающую среду.
Так как по условию задания

, то количество передаваемого тепла в единицу времени через поверхность нагрева аппарата, Вт:

;
(1.2.)
где и - средние удельные массовые теплоемкости греющего и нагреваемого теплоносителей, в интервале температур от до и от до соответственно.
Температура нагреваемого теплоносителя на выходе из теплообменника:
(1.3.)
Средняя температура нагреваемого теплоносителя:

(1.4.)
По температуре определяется методом линейной интерполяции по таблице П.1.1 .

Количество теплоты в единицу времени, воспринятое нагреваемым теплоносителем:
(1.5.)

Методом линейной интерполяции с помощью таблицы П.1.1 определяется средняя удельная массовая теплоемкость греющего теплоносителя при температуре .

.
Для условия

определяется температура греющего теплоносителя на выходе из теплообменника:
(1.6.)
Средняя температура греющего теплоносителя:

(1.7.)
По температуре определяется значение .

Уточняется количество теплоты, отданное греющим теплоносителем в единицу времени:
(1.8.)
Рассчитывается величина относительной погрешности , которая не должна превышать 3%. Если данное условие не выполняется, требуется провести пересчет.
(1.9.)

Определение интенсивности процессов теплообмена.

В основу расчета коэффициентов теплоотдачи между теплоносителями и поверхностью стенки положены критериальные уравнения, полученные в результате обработки многочисленных экспериментальных данных и их обобщения на основе теории подобия.

Расчет интенсивности теплоотдачи со стороны греющего теплоносителя.

По среднеарифметическому значению температуры определяются значения физических свойств греющего теплоносителя (таблица П.1.1 )

- плотность;

- кинематический коэффициент вязкости;

- критерий Прандтля.
В первом приближении температура стенки:

(1.10.)

По определяется критерий Прандтля (таблица П.1.1 ):

Среднюю скорость движения теплоносителя в трубах рекомендуется предварительно принимать в пределах

(,с.6)
Критерий Рейнольдса для потока греющего теплоносителя:

(1.11.)

с критическим числом

устанавливаем, что режим течения жидкости турбулентный и выбираем критериальное уравнение для расчета числа Нуссельта. Интенсивность теплоотдачи в круглых трубках зависит от режима движения теплоносителя.

При турбулентном режиме течения жидкости (

) в круглых трубках и каналах число Нуссельта определяется по критериальной зависимости:
(1.12.)
Определяющий размер – внутренний диаметр трубы, определяющая температура – средняя температура теплоносителя.

Коэффициент теплоотдачи от горячего теплоносителя к стенке трубы:
(1.13.)

Расчет интенсивности теплоотдачи со стороны нагреваемого теплоносителя.

По среднеарифметическому значению температуры определяются значения физических свойств нагреваемого теплоносителя (таблица П.1.1 )

- плотность;

- кинематический коэффициент вязкости;

- коэффициент теплопроводности;

- критерий Прандтля.

Среднюю скорость движения теплоносителя в межтрубном пространстве рекомендуется предварительно принимать в пределах

(,с.8)
Число Рейнольдса для потока холодного теплоносителя:

(1.14.)
В результате сравнения вычисленного значения

с критическим числом

выбираем критериальное уравнение, по которому подсчитываем число Нуссельта. При движении теплоносителя в межтрубном пространстве коэффициент теплоотдачи рассчитывается по уравнению:

При

(1.15)
За определяющий геометрический размер принимают наружный диаметр теплообменных труб.

Коэффициент теплопередачи от стенок трубного пучка к нагреваемому теплоносителю:

Определение коэффициента теплопередачи.

Если

, то коэффициент теплопередачи для плоской поверхности теплообмена с достаточной точностью определяется по формуле:

(1.17.)

где

- термические сопротивления слоев загрязнений с обеих сторон стенки,

- толщина стенки,

- коэффициент теплопроводности материала трубок.
Термическое сопротивление находим по таблице П.1.2. :

Для загрязненной воды тепловая проводимость загрязнений стенок:

Толщина стенки трубки вычисляется по формуле:

(1.18.)

Коэффициент теплопроводности углеродистой стали (CтУ) определяется по таблице П.1.3. при

:

Вычисленное значение коэффициента теплопередачи сравнивается с ориентировочными значениями, представленными в таблице П.1.4. для соответствующих теплоносителей.

Определение расчетной площади поверхностей теплообмена.

В аппаратах с прямо- или противоточным движением теплоносителей средняя разность температур потоков

определяется как среднелогарифмическая между большей и меньшей разностями температур теплоносителей на концах аппарата.

Большую

и меньшую

разность температур определим по графику изменения температур теплоносителей при противотоке (рис.1):

РИС.1. Графическая зависимость для определения большей и меньшей разности температур теплоносителей.

Вычислим среднелогарифмическую разность температур:

(1.19.)
При сложном взаимном движении теплоносителей, например, при смешанном и перекрестном токе в многоходовых теплообменниках, средняя разность температур теплоносителей определяется с учетом поправки

.

Для нахождения поправочного коэффициента вычисляются вспомогательные коэффициенты Р и R :

(1.20.)

(1.21.)
По полученным значениям коэффициентов Р и R на графике (рис.П.1.3. определим поправку,

Средняя разность температур:
(1.22.)
Поверхностная плотность теплового потока:
(1.23.)
Из основного уравнения теплопередачи определяется необходимая поверхность теплообмена:

(1.24.)
По рассчитанной площади и заданному диаметру труб выбирается стандартный теплообменный аппарат (таблица П.1.5.), характеристики которого сводятся в таблицу 1.

Таблица 1

Параметры кожухотручатого теплообменника сварной конструкции с неподвижными решетками.

(ГОСТ 15118-79, ГОСТ 15120-79, ГОСТ 15122-79)

Пересчитываются скорости движения и критерий Рейнольдса для греющего и нагреваемого теплоносителей:
(1.24.)
(1.25.)

где - площадь сечения одного хода по трубам,

- площадь сечения межтрубного пространства между перегородками.
(1.26.)
(1.27.)

Конструктивный расчет теплообменного аппарата.

Определяется число труб в теплообменнике:

шт. (1.28.)

где - площадь поверхности теплообмена стандартного теплообменника,

- длина труб одного хода стандартного теплообменника.

По условию трубы по сечению трубной решетки расположены по вершинам равносторонних треугольников. Количество трубок, расположенных по сторонам большего шестиугольника:
шт. (1.29.)
Количество трубок, расположенных по диагонали шестиугольника:
шт. (1.30.)
Число рядов труб, омываемых теплоносителем в межтрубном пространстве, приближенно можно принять равным 0,5 b , т.е.:
шт. (1.31.)
Для стандартных труб с наружным диаметром равным 25 мм, размещенных по вершинам равносторонних треугольников, при развальцовке принимают шаг между трубами:
(1.32.)
Рассчитанную величину шага между отверстиями в трубной решетке сравнивают со стандартными значениями, представленными в таблице П.1.6..
Внутренний диаметр кожуха многоходового теплообменника:

(1.33.)

где

- коэффициент заполнения трубной решетки.

Вычисленные значения и

сопоставляются со стандартными величинами из таблицы 1.

Определение температуры поверхности стенок трубы.

Термическое сопротивление теплоотдачи от греющего теплоносителя к поверхности загрязнений:
(1.34.)
Термическое сопротивление слоя отложений со стороны греющего теплоносителя:

где

- тепловая проводимость слоя отложений со стороны греющего теплоносителя, значение выбирается из таблицы П.1.2..

Термическое сопротивление стенки трубы:

(1.36.)
Термическое сопротивление слоя отложений со стороны нагреваемого теплоносителя:

где

- тепловая проводимость слоя отложений со стороны нагреваемого теплоносителя, значение выбирается из таблицы П.1.2..
Термическое сопротивление теплоотдачи от стенки загрязнений к нагреваемому теплоносителю:

(1.38.)
Аналитически температура стенок трубы определяется по формулам:
(1.39.)
(1.40.)
Для проверки температуру стенки определяют графическим способом. График по определению искомых температур приведен на рис.2.
Рис.2 Графический способ определения температуры поверхности

Стенки трубы со стороны греющего и нагреваемого

Теплоносителей.

Гидравлический расчет теплообменника.

Целью гидравлического расчета является определение величины потери давления теплоносителей при их движении через теплообменный аппарат.
Полное гидравлическое сопротивление при движении жидкости в трубах теплообменного аппарата определяется выражением:

(1.41.)

где

- гидравлическое сопротивление трения,

- потери давления, обусловленные наличием местных сопротивлений; складываются из сопротивлений, возникающих в связи с изменением площади сечения потока, обтекания препятствий.
Гидравлическое сопротивление трения:

(1.43.)
где - коэффициент трения,

- число ходов теплоносителя по трубному пространству,

.

Коэффициент трения определяется по формуле:

(1.44.)
где

- относительная шероховатость труб,

- высота выступов шероховатостей (принимается равной 0,2).
Потери давления, обусловленные наличием местных сопротивлений:
(1.45.)

где

- сумма коэффициентов местных сопротивлений трубного пространства:
(1.46.)
где

и

- коэффициенты сопротивлений входной и выходной камер (таблица П.1.7.),

и

- коэффициенты сопротивлений входа в трубы и выхода из них (таблица П.1.7.),

- коэффициент сопротивления поворота между ходами

(таблица П.1.7.).
Величина потерь давления греющего теплоносителя в теплообменном аппарате:

Величина потерь давления нагреваемого теплоносителя в межтрубном пространстве теплообменника:
(1.47.)
где

- сумма коэффициентов местных сопротивлений межтрубного пространства:

(1.48.)
где

и

- коэффициенты сопротивления входа и выхода жидкости (таблица П.1.7.),

- коэффициент, определяющий поворот через сегментную перегородку (таблица П.1.7.),

- число сегментных перегородок (таблица П.1.9.),

- коэффициент сопротивления пучка труб (таблица П.1.7.).

Определение толщины тепловой изоляции аппарата.

Тепловая изоляция представляет собой конструкцию из материалов с малой теплопроводностью, покрывающую наружные поверхности оборудования, трубопроводов для уменьшения тепловых потерь.
Толщину тепловой изоляции находят из равенства удельных тепловых потоков через слой изоляции и от поверхности изоляции в окружающую среду:

(1.49.)

где

- температура изоляции со стороны окружающей среды, которая не должна превышать 45єС, согласно требований техники безопасности (),

- коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности изоляционного материала в окружающую среду, при расчетах принимать (),

- температура изоляции со стороны аппарата; ввиду незначительного термического сопротивления стенки аппарата по сравнению с термическим сопротивлением слоя изоляции принимают равной средней температуре нагреваемого теплоносителя (),

- температура окружающей среды; для изолируемых поверхностей, расположенных в помещении принимается равной 20єС (),

- коэффициент теплопроводности изолятора.
Если в качестве изолятора принять полотно стеклянное теплоизоляционное марки ИПС-Т-100, ТУ 6-11-570-83, то коэффициент теплопроводности изолятора:
(1.50.)
где - средняя температура теплоизоляционного слоя.
На открытом воздухе в летнее время, в помещении, в каналах, тоннелях, технических подпольях, на чердаках и в подвалах зданий:

(1.51.)

где - средняя температура теплоносителя, омывающего стенку.

При расчетах задаем температурный напор

.

Толщина тепловой изоляции:
(1.52.)

ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ПЛАСТИНЧАТОГО ТЕПЛООБМЕННИКА.

В пластинчатых теплообменниках поверхность теплообмена образована набором тонких штампованных гофрированных пластин. Эти аппараты могут быть разборными, полуразборными и неразборными (сварными). В пластинках разборных теплообменников имеются угловые отверстия для прохода теплоносителей и пазы, в которых закрепляются уплотнительные и компонующие прокладки из специальных термостойких резин. Пластины сжимаются между неподвижной и подвижной плитами таким образом, что благодаря прокладкам между ними образуются каналы для поочередного прохода горячего и холодного теплоносителей. Плиты снабжены штуцерами для присоединения трубопроводов. Неподвижная плита крепится к полу, пластины и подвижная плита закрепляются в специальной раме.

Группа пластин, образующих систему параллельных каналов, в которых теплоноситель движется только в одном направлении (сверху вниз или наоборот), составляет пакет. Пакет по существу аналогичен одному ходу по трубам в многоходовых кожухотрубчатых теплообменниках. При заданном расходе теплоносителя увеличение числа пакетов приводит к увеличению скорости теплоносителя, что интенсифицирует теплообмен, но увеличивает гидравлическое сопротивление. Дополнительный канал со стороны входа нагреваемой воды предназначен для охлаждения плиты и уменьшения теплопотерь.

В соответствии с каталогом ЦИНТИхимнефтемаш (М.,1990) выпускаются теплообменники пластинчатые следующих типов: полуразборные (РС) с пластинами типа 0,5Пр и разборные (Р) с пластинами типа 0,3р и 0,6р.

Допускаемые температуры теплоносителей определяются термостойкостью резиновых прокладок. Для теплообменников, используемых в системах теплоснабжения, обязательным является применение прокладок из термостойкой резины.

Условное обозначение теплообменного пластинчатого аппарата: первые буквы обозначают тип аппарата – теплообменник Р (РС) разборный, следующее обозначение – тип пластины, цифры после тире – толщина пластины, далее – площадь поверхности теплообменного аппарата (мІ), затем – конструктивное исполнение, марка материала пластины и марка материала прокладки. После условного обозначения приводится схема компоновки пластин.

Пример условного обозначения платинчатого разборного теплообменного аппарата: теплообменник Р 0,6р-0,8-16-1К-01 – теплообменник разборный (Р) с пластинками типа 0,6р, толщиной 0,8 мм, площадью поверхности теплообмена 16 мІ, на консольной раме, в коррозионно-стойком исполнении, материал пластин и патрубков – сталь 12Х18Н10Т; материал прокладки – термостойкая резина 359; схема компоновки:

, что означает над чертой – число каналов в каждом ходу для греющей воды, под чертой – тоже для нагреваемой воды.

При оптимальной компоновке пластин число пакетов для горячего и холодного теплоносителя может быть неодинаковым. В условном обозначении схемы компоновки число слагаемых в числителе соответствует числу пакетов (последовательных ходов) для горячего теплоносителя, в знаменателе – для холодного; каждое слагаемое означает число параллельных каналов в пакете.

Из рассматриваемых трех теплообменников наиболее целесообразно применение теплообменников РС 0,5Пр, поскольку эти теплообменники надежно работают при рабочем давлении до 1,6 МПа. Пластины попарно сварены по контуру образуя блок. Между двумя сваренными пластинами имеется закрытый (сварной) канал для теплофикационной воды. Разборные каналы допускают давление в них до 1 МПа.

Теплообменники типа Р 0,3р могут применяться в системах теплоснабжения при отсутствии теплообменников типа РС 0,5Пр и параметрах теплоносителей до 1,0 МПа, до 150єС и перепаде давлений между теплоносителями не более 0,5 МПа.

Применение теплообменников типа Р 0,6р (титан) в системах теплоснабжения ограничено и допустимо только при отсутствии теплообменников РС 0,5Пр и Р 0,3р при параметрах теплоносителей не более 0,6 МПа до 150єС и перепаде давлений теплоносителей не более 0,3 МПа.
ЗАДАНИЕ .

Нагрузка на отопление (ГВС) – 1571.101 кВт;

Температуры греющей (сетевой) и нагреваемой вода на входе и выходе теплообменника соответственно Принять равное число параллельных каналов в пакете для греющего и нагреваемого теплоносителей.
2.1. Определение расходов и скоростей движения греющего и нагреваемого теплоносителей.
Средняя температура теплоносителей:
(2.1.)
, (2.20.)

(2.21.)
где

,

- коэффициенты гидравлического сопротивления (таблица П.2.2.).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.
В ходе выполнения курсовой работы изучили конструкцию кожухотрубчатого и пластинчатого теплообменников и специфику их расчета.

В соответствии с заданием выполнен чертеж кожухотрубчатого теплообменного аппарата на формате А1.

В процессе работы закреплены знания по основным разделам ТМО, а также приобретены навыки применения теоретических знаний при решении теплотехнических задач.
В результате изучения и расчета двух разных типов теплообменников сделан вывод что, пластинчатые теплообменники имеют ряд преимуществ перед кожухотрубчатыми:

1. компактность (частая проблема, стоящая перед проектировщиками – это ограниченное пространство, отводящееся механическому оборудованию. Пластинчатые теплообменники в три раза компактнее кожухотрубчатых и более чем в пять раз легче, при одинаковой мощности);

2. простота установки (пластинчатые теплообменники не требуют специального фундамента и экономят много времени и средств. Более того теплообменники данного типа имеют входные и выходные патрубки с одной стороны, что упрощает их монтаж);

3. малые затраты на обслуживание (высокотурбулентный поток обуславливает низкую степень загрязнения. Пластинчатые теплообменники спроектированы таким образом, чтобы максимально продлить срок эксплуатации, при которой не требуется никакого ремонта. Теплообменники достаточно быстро разбираются, каждый лист поверхности нагрева вынимается и может быть очищен индивидуально).
До пластинчатых теплообменников широко применялся кожухотрубчатый метод, считаясь одним из самых надежных и приемлемых подходов к решению задач теплообмена между двумя средами. К недостаткам кожухотрубчатых теплообменников можно отнести относительно невысокий коэффициент теплоотдачи, значительные трудности и ретратты при ремонте и очистке поверхностей от отложений, затрудненность выявления протечек между средами, большая инерционность.

ЛИТЕРАТУРА.

Тепломассообмен: метод. указания к курсовой работе по одноим. курсу для студентов/ авт. сост.: А.В. Овсянник, М.Н. Новиков, А.В. Шаповалов.- Гомель: ГГТУ им. П.О. Сухого, 2007.
Дытнерский Ю.И. Основные процессы и аппараты химической технологии. Курсовое проектирование. М.: Химия, 1991.
Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов. СНиП 2.04.14.
Проектирование тепловых пунктов. СП-41-101-95.
Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача.- М.: Высшая школа, 1980.
Промышленная теплоэнергетика и теплотехника: Справочник/ под общей ред. В.А. Григорьева, В.М. Зорина.- М.: Энергоатомиздат, 1989.

Число нагревательных трубок диаметром 382, высотой 4 м:

где d cp = 0,036 м – средний диаметр трубки.

n = 315/0,0364,0 = 696 шт.

Площадь суммарного сечения всех кипятильных трубок:

f тр = 0,785nd вн 2 = 0,7856960,034 2 = 0,63 м 2 .

Площадь сечения циркуляционной трубы:

f ц = 0,3f тр = 0,30,63 = 0,189 м 2 .

Диаметр циркуляционной трубы:

d ц = (f ц /0,785) 0,5 = (0,189/0,785) 0,5 = 0,491 м.

Принимаем d ц = 500 мм.

Диаметр греющей камеры:

где  = 1,25 – коэффициент шага трубок;

 = 60 – при размещении труб по вершинам правильных треугольников;

 = 0,7 – коэффициент использования трубной решетки;

d н = 0,038 м – наружный диаметр трубок;

А = 0 – при отсутствии в трубной решетке отверстия для циркуляционной трубы.

D = (0,41,25 2 sin603150,038/0,74) 0,5 = 1,52 м.

Принимаем диаметр корпуса греющей камеры 1600 мм.

Толщина обечайки:

 = DP/2 +C к

где D = 1,6 м – диаметр греющей камеры аппарата;

P = 0,145 МПа – давление греющего пара;

 = 138 МН/м 2 – допускаемое напряжение для стали ;

 = 0,8 – коэффициент ослабления из-за сварного шва ;

C к = 0,001 м – поправка на коррозию.

 = 1,60,145/21380,8 + 0,001 = 0,003 м.

Наибольшее распространение в химическом машиностроении получили эллиптические отбортованные днища по ГОСТ 6533 – 78 , толщина стенки днища  1 = = 10 мм.

Соединение обечайки с днищами осуществляется с помощью плоских приварных фланцев по ОСТ 26–428–79 :

Максимальная масса аппарата:

G max = G a + G в,

где G a = 21000 кг – масса аппарата,

G в – масса воды заполняющей аппарат.

G в = 10000,785D 2 H = 10000,7851,6 2 15,0 = 30144 кг,

где Н = 15,0 м – высота аппарата.

G max = 21000 + 30144 = 51144 кг = 0,50 МН.

Принимаем, что аппарат установлен на 4 опорах, тогда нагрузка приходящаяся на одну опору:

G оп = 0,50/4 = 0,125 МН.

Выбираем опору с допускаемой нагрузкой 0,16 МН, конструкция которой приводятся на рисунке:

Диаметр штуцеров рассчитывается по формуле:

d =

,

где G – массовый расход теплоносителя,

 - плотность теплоносителя,

w – скорость движения теплоносителя в штуцере.

Принимаем скорость жидкости в штуцере w = 1 м/с, а для пара w = 25 м/с, тогда

диаметр штуцера для входа греющего пара:

d 1 = (4,40/0,785250,84) 0,5 = 0,516 м,

принимаем d 1 = 500 мм.

диаметр штуцера для выхода конденсата:

d 1 = (4,40/0,7851951) 0,5 = 0,077 м,

принимаем d 1 = 80 мм.

диаметр штуцера для входа раствора:

d 1 = (5,56/0,78511025) 0,5 = 0,083 м,

принимаем d 1 = 80 мм.

диаметр штуцера для выхода раствора:

d 1 = (1,39/0,78511196) 0,5 = 0,038 м,

принимаем d 1 = 40 мм.

Все штуцера снабжаются плоскими приварными фланцами по ГОСТ 12820-80, конструкция и размеры которых приводятся ниже:

Расчет тепловой изоляции. В качестве материала тепловой изоляции выберем совелит (85% магнезии + 15% асбеста), имеющий коэффициент теплопроводности  и = 0,09 Вт/мК. Принимаем температуру наружной поверхности стенки t ст.в. =40 С; температуру окружающей среды t в = 18 С, тогда толщина слоя изоляции:

где  в – коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности изоляции в окружающую среду:

 в = 9,3+0,058 t ст.в. = 9,3+0,05840 = 11,6 Вт/м 2 К.

 и = 0,09(110,3-40)/11,6(40-18) = 0,025 м.

Принимаем толщину тепловой изоляции 30 мм.

Расчет диаметра сепаратора. Принимаем диаметр сепаратора равным D c = 2,4 м, тогда скорость пара в сепараторе:

w п = W/ п 0,785D c 2 = 4,17/0,840,7852,4 2 = 1,1 м/с.

Критерий Рейнольдса:

Re = w п d к  п / п,

где d к = 0,3 мм – диаметр капли;

 п = 1,210 -5 Пас – вязкость пара ;

Re = 1,10,310 -3 0,84/1,210 -5 = 23,1.

Коэффициент сопротивления:

 = 18,5/Re 0,6 = 18,5/23,1 0,6 = 2,82.

Скорость витания капли

w вит = 0,5 = 1,4 м/с.

Так как w п < w вит, то капли раствора будут оседать под действием силы тяжести, поэтому увеличивать диаметр сепаратора нет необходимости.

Расчет теплообменника в настоящее время занимает не более пяти минут. Любая организация, производящая и продающая такое оборудование, как правило, предоставляет всем желающим свою собственную программу подбора. Ее можно бесплатно скачать с сайта компании, либо их технический специалист приедет к вам в офис и бесплатно её установит. Однако насколько корректен результат таких расчетов, можно ли ему доверять и не лукавит ли производитель, сражаясь в тендере со своими конкурентами? Проверка электронного калькулятора требует наличия знаний или как минимум понимания методики расчета современных теплообменников. Попробуем разобраться в деталях.

Что такое теплообменник

Прежде чем выполнять расчет теплообменника, давайте вспомним, а что же это за устройство такое? Тепломассообменный аппарат (он же теплообменник, он же или ТОА) - это устройство для передачи теплоты от одного теплоносителя другому. В процессе изменения температур теплоносителей меняются также их плотности и, соответственно, массовые показатели веществ. Именно поэтому такие процессы называют тепломассообменными.

Виды теплообмена

Теперь поговорим о - их всего три. Радиационный - передача теплоты за счет излучения. Как пример, можно вспомнить принятие солнечных ванн на пляже в теплый летний день. И такие теплообменники даже можно встретить на рынке (ламповые нагреватели воздуха). Однако чаще всего для обогрева жилых помещений, комнат в квартире мы покупаем масляные или электрические радиаторы. Это пример другого типа теплообмена - конвекционного. Конвекция бывает естественной, вынужденной (вытяжка, а в коробе стоит рекуператор) или с механическим побуждением (с вентилятором, например). Последний тип намного эффективнее.

Однако самый эффективный способ передачи теплоты - это теплопроводность, или, как её ещё называют, кондукция (от англ. conduction - "проводимость"). Любой инженер, собирающийся провести тепловой расчет теплообменника, прежде всего задумывается о том, чтобы выбрать эффективное оборудование в минимальных габаритах. И достичь этого удаётся именно за счет теплопроводности. Примером тому служат самые эффективные на сегодняшний день ТОА - пластинчатые теплообменники. Пластинчатый ТОА, согласно определению, - это теплообменный аппарат, передающий теплоту от одного теплоносителя другому через разделяющую их стенку. Максимально возможная площадь контакта между двумя средами в совокупности с верно подобранными материалами, профилем пластин и их толщиной позволяет минимизировать размеры выбираемого оборудования при сохранении исходных технических характеристик, необходимых в технологическом процессе.

Типы теплообменников

Прежде чем проводить расчет теплообменника, определяются с его типом. Все ТОА можно разделить на две большие группы: рекуперативные и регенеративные теплообменники. Основное отличие между ними заключается в следующем: в рекуперативных ТОА теплообмен происходит через разделяющую два теплоносителя стенку, а в регенеративных две среды имеют непосредственный контакт между собой, часто смешиваясь и требуя последующего разделения в специальных сепараторах. Регенеративные теплообменники подразделяются на смесительные и на теплообменники с насадкой (стационарной, падающей или промежуточной). Грубо говоря, ведро с горячей водой, выставленное на мороз, или стакан с горячим чаем, поставленный остужаться в холодильник (никогда так не делайте!) - это и есть пример такого смесительного ТОА. А наливая чай в блюдце и остужая его таким образом, мы получаем пример регенеративного теплообменника с насадкой (блюдце в этом примере играет роль насадки), которая сначала контактирует с окружающим воздухом и принимает его температуру, а потом отбирает часть теплоты от налитого в него горячего чая, стремясь привести обе среды в режим теплового равновесия. Однако, как мы уже выяснили ранее, эффективнее использовать теплопроводность для передачи теплоты от одной среды к другой, поэтому более полезные в плане теплопередачи (и широко используемые) ТОА на сегодняшний день - конечно же, рекуперативные.

Тепловой и конструктивный расчет

Любой расчет рекуперативного теплообменника можно провести на основе результатов теплового, гидравлического и прочностного вычислений. Они являются основополагающими, обязательны при проектировании нового оборудования и ложатся в основу методики расчета последующих моделей линейки однотипных аппаратов. Главной задачей теплового расчета ТОА является определение необходимой площади теплообменной поверхности для устойчивой работы теплообменника и поддержания необходимых параметров сред на выходе. Довольно часто при таких расчетах инженеры задаются произвольными значениями массогабаритных характеристик будущего оборудования (материал, диаметр труб, размеры пластин, геометрия пучка, тип и материал оребрения и др.), поэтому после теплового обычно проводят конструктивный расчет теплообменника. Ведь если на первой стадии инженер посчитал необходимую площадь поверхности при заданном диаметре трубы, например, 60 мм, и длина теплообменника при этом получилась порядка шестидесяти метров, то логичнее предположить переход к многоходовому теплообменнику, либо к кожухотрубному типу, либо увеличить диаметр трубок.

Гидравлический расчет

Гидравлические или гидромеханические, а также аэродинамические расчеты проводят с целью определить и оптимизировать гидравлические (аэродинамические) потери давления в теплообменнике, а также подсчитать энергетические затраты на их преодоление. Расчет любого тракта, канала или трубы для прохода теплоносителя ставит перед человеком первостепенную задачу - интенсифицировать процесс теплообмена на данном участке. То есть одна среда должна передать, а другая получить как можно больше тепла на минимальном промежутке его течения. Для этого часто применяют дополнительную поверхность теплообмена, в виде развитого оребрения поверхности (для отрыва пограничного ламинарного подслоя и усиления турбулизации потока). Оптимальное балансовое соотношение гидравлических потерь, площади теплообменной поверхности, массогабаритных характеристик и снимаемой тепловой мощности является результатом совокупности теплового, гидравлического и конструктивного расчета ТОА.

Поверочный расчет

Исследовательские расчеты

Исследовательские расчеты ТОА проводят на основе полученных результатов теплового и поверочного расчетов. Они необходимы, как правило, для внесения последних поправок в конструкцию проектируемого аппарата. Их также проводят с целью корректировки каких-либо уравнений, закладываемых в реализуемой расчетной модели ТОА, полученной эмпирическим путём (по экспериментальным данным). Выполнение исследовательских расчетов предполагает проведение десятков, а иногда и сотен вычислений по специальному плану, разработанному и внедрённому на производстве согласно математической теории По результатам выявляют влияние различных условий и физических величин на показатели эффективности ТОА.

Другие расчеты

Выполняя расчет площади теплообменника, не стоит забывать и о сопротивлении материалов. Прочностные расчеты ТОА включают проверку проектируемого агрегата на напряжение, на кручение, на прикладывание максимально допустимых рабочих моментов к деталям и узлам будущего теплообменника. При минимальных габаритах изделие должно быть прочным, устойчивым и гарантировать безопасную работу в различных, даже самых напряженных условиях эксплуатации.

Динамический расчет проводится с целью определения различных характеристик теплообменного аппарата на переменных режимах его работы.

Типы конструкции теплообменников

Рекуперативные ТОА по конструкции можно разделить на достаточно большое количество групп. Самые известные и широко применяемые - это пластинчатые теплообменники, воздушные (трубчатые оребрённые), кожухотрубные, теплообменники "труба в трубе", кожухо-пластинчатые и другие. Существуют и более экзотические и узкоспециализированные типы, например, спиральные (теплообменник-улитка) или скребковые, которые работают с вязкими или неньютоновскими жидкостями, а также многие другие типы.

Теплообменники «труба в трубе»

Рассмотрим самый простой расчет теплообменника «труба в трубе». Конструктивно данный тип ТОА максимально упрощен. Во внутреннюю трубу аппарата пускают, как правило, горячий теплоноситель, для минимизации потерь, а в кожух, или в наружную трубу, запускают охлаждающий теплоноситель. Задача инженера в этом случае сводится к определению длины такого теплообменника исходя из рассчитанной площади теплообменной поверхности и заданных диаметров.

Здесь стоит добавить, что в термодинамике вводится понятие идеального теплообменника, то есть аппарата бесконечной длины, где теплоносители работают в противотоке, и между ними полностью срабатывается температурный напор. Конструкция «труба в трубе» ближе всего удовлетворяет этим требованиям. И если запустить теплоносители в противотоке, то это будет так называемый «реальный противоток» (а не перекрёстный, как в пластинчатых ТОА). Температурный напор максимально эффективно срабатывается при такой организации движения. Однако выполняя расчет теплообменника «труба в трубе», следует быть реалистами и не забывать о логистической составляющей, а также об удобстве монтажа. Длина еврофуры - 13,5 метров, да и не все технические помещения приспособлены к заносу и монтажу оборудования такой длины.

Кожухотрубные теплообменники

Поэтому очень часто расчет такого аппарата плавно перетекает в расчет Это аппарат, в котором пучок труб находится в едином корпусе (кожухе), омываемым различными теплоносителями, в зависимости от назначения оборудования. В конденсаторах, например, хладагент запускают в кожух, а воду - в трубки. При таком способе движения сред удобнее и эффективнее контролировать работу аппарата. В испарителях, наоборот, хладагент кипит в трубках, а они при этом омываются охлаждаемой жидкостью (водой, рассолами, гликолями и др.). Поэтому расчет кожухотрубного теплообменника сводится к минимизации габаритов оборудования. Играя при этом диаметром кожуха, диаметром и количеством внутренних труб и длиной аппарата, инженер выходит на расчетное значение площади теплообменной поверхности.

Воздушные теплообменники

Один из самых распространённых на сегодняшний день теплообменных аппаратов - это трубчатые оребрённые теплообменники. Их ещё называют змеевиками. Где их только не устанавливают, начиная от фанкойлов (от англ. fan + coil, т.е. "вентилятор" + "змеевик") во внутренних блоках сплит-систем и заканчивая гигантскими рекуператорами дымовых газов (отбор теплоты от горячего дымового газа и передача его на нужды отопления) в котельных установках на ТЭЦ. Вот почему расчет змеевикового теплообменника зависит от того применения, куда этот теплообменник пойдёт в эксплуатацию. Промышленные воздухоохладители (ВОПы), устанавливаемые в камерах шоковой заморозки мяса, в морозильных камерах низких температур и на других объектах пищевого холодоснабжения, требуют определённых конструктивных особенностей в своём исполнении. Расстояния между ламелями (оребрением) должно быть максимальным, для увеличения времени непрерывной работы между циклами оттайки. Испарители для ЦОДов (центров обработки данных), наоборот, делают как можно более компактными, зажимая межламельные расстояния до минимума. Такие теплообменники работают в «чистых зонах», окруженные фильтрами тонкой очистки (вплоть до класса HEPA), поэтому такой расчет трубчатого теплообменника проводят с упором на минимизацию габаритов.

Пластинчатые теплообменники

В настоящее время стабильным спросом пользуются пластинчатые теплообменники. По своему конструктивному исполнению они бывают полностью разборными и полусварными, меднопаяными и никельпаяными, сварными и спаянными диффузионным методом (без припоя). Тепловой расчет пластинчатого теплообменника достаточно гибок и не представляет особой сложности для инженера. В процессе подбора можно играть типом пластин, глубиной штамповки каналов, типом оребрения, толщиной стали, разными материалами, а самое главное - многочисленными типоразмерными моделями аппаратов разных габаритов. Такие теплообменники бывают низкими и широкими (для парового нагрева воды) или высокими и узкими (разделительные теплообменники для систем кондиционирования). Их часто используют и под среды с фазовым переходом, то есть в качестве конденсаторов, испарителей, пароохладителей, предконденсаторов и т. д. Выполнить тепловой расчет теплообменника, работающего по двухфазной схеме, немного сложнее, чем теплообменника типа «жидкость-жидкость», однако для опытного инженера эта задача разрешима и не представляет особой сложности. Для облегчения таких расчетов современные проектировщики используют инженерные компьютерные базы, где можно найти много нужной информации, в том числе диаграммы состояния любого хладагента в любой развёртке, например, программу CoolPack.

Пример расчета теплообменника

Основной целью проведения расчета является вычисление необходимой площади теплообменной поверхности. Тепловая (холодильная) мощность обычно задается в техзадании, однако в нашем примере мы рассчитаем и её, для, скажем так, проверки самого техзадания. Иногда бывает и так, что в исходные данные может закрасться ошибка. Одна из задач грамотного инженера - эту ошибку найти и исправить. В качестве примера выполним расчет пластинчатого теплообменника типа «жидкость - жидкость». Пусть это будет разделитель контуров (pressure breaker) в высотном здании. Для того чтобы разгрузить оборудование по давлению, при строительстве небоскрёбов очень часто применяется такой подход. С одной стороны теплообменника имеем воду с температурой входа Твх1 = 14 ᵒС и выхода Твых1 = 9 ᵒС, и с расходом G1 = 14 500 кг/ч, а с другой - тоже воду, но только вот с такими параметрами: Твх2 = 8 ᵒС, Твых2 = 12 ᵒС, G2 = 18 125 кг/ч.

Необходимую мощность (Q0) рассчитаем по формуле теплового баланса (см. рис. выше, формула 7.1), где Ср - удельная теплоёмкость (табличное значение). Для простоты расчетов возьмём приведённое значение теплоёмкости Срв = 4,187 [кДж/кг*ᵒС]. Считаем:

Q1 = 14 500 * (14 - 9) * 4,187 = 303557,5 [кДж/ч] = 84321,53 Вт = 84,3 кВт - по первой стороне и

Q2 = 18 125 * (12 - 8) * 4,187 = 303557,5 [кДж/ч] = 84321,53 Вт = 84,3 кВт - по второй стороне.

Обратите внимание, что, согласно формуле (7.1), Q0 = Q1 = Q2, независимо от того, по какой стороне проведён расчет.

Далее по основному уравнению теплопередачи (7.2) находим необходимую площадь поверхности (7.2.1), где k - коэффициент теплопередачи (принимаем равным 6350 [Вт/м 2 ]), а ΔТср.лог. - среднелогарифмический температурный напор, считаемый по формуле (7.3):

ΔТ ср.лог. = (2 - 1) / ln (2 / 1) = 1 / ln2 = 1 / 0,6931 = 1,4428;

F то = 84321 / 6350 * 1,4428 = 9,2 м 2 .

В случае когда коэффициент теплопередачи неизвестен, расчет пластинчатого теплообменника немного усложняется. По формуле (7.4) считаем критерий Рейнольдса, где ρ - плотность, [кг/м 3 ], η - динамическая вязкость, [Н*с/м 2 ], v - скорость среды в канале, [м/с], d см - смачиваемый диаметр канала [м].

По таблице ищем необходимое нам значение критерия Прандтля и по формуле (7.5) получаем критерий Нуссельта, где n = 0,4 - в условиях нагрева жидкости, и n = 0,3 - в условиях охлаждения жидкости.

Далее по формуле (7.6) вычисляется коэффициент теплоотдачи от каждого теплоносителя к стенке, а по формуле (7.7) считаем коэффициент теплопередачи, который и подставляем в формулу (7.2.1) для вычисления площади теплообменной поверхности.

В указанных формулах λ - коэффициент теплопроводности, ϭ - толщина стенки канала, α1 и α2 - коэффициенты теплоотдачи от каждого из теплоносителей стенке.

Cтраница 1

Конструктивный расчет включает в себя определение размеров горелки при минимально необходимом или при заданном давлении газа, а так же при заданных пределах регулирования и давления газа перед соплом.

Конструктивный расчет и оформление зубьев шпоночных протяжек обычно такое же, как у многошлицевых протяжек. При работе шпоночных протяжек могут применяться одинарная или групповая схемы срезания слоев. Наиболее рациональной схемой здесь является групповая с числом зубьев в группе 2 и с двумя угловыми фасками на первом зубе, как указано на фиг. Последний калибрующий зуб обычно делается равным по длине 1 5 t, где t - шаг зубьев.

Конструктивный расчет предполагает определение размеров стержней с помошью зависимых параметров. Последние просто связаны с частичными погонными емкостями стержней.

Конструктивный расчет проводится при проектировании новых теплообменников.

Конструктивный расчет производят после теплового расчета теплообменника. Для кожухотрубчатых аппаратов он сводится к определению числа или длины труб, размещению их в трубной решетке (с учетом числа ходов) и нахождению основных размеров (диаметра и высоты) аппарата. При конструктивном расчете определяют также диаметры патрубков штуцеров теплообменника.

Конструктивный расчет состоит из следующих этапов.

Конструктивный расчет электродинамического излу - 1ателя, проводят следующим образом.

Конструктивный расчет производится в следующей последовательности.

Конструктивный расчет производят после теплового расчета теплообменника. Для кожухотрубчатых аппаратов он сводится к определению-числа или длины труб, размещению их в трубной решетке (с учетом числа ходов) и нахождению основных размеров (диаметра и высоты) аппарата. При конструктивном расчете определяют также диаметры патрубков штуцеров теплообменника.