Расчет и проектирование теплообменника

• среду с наименьшим значением следует направлять в трубки для увеличения скорости ее движения, а следовательно, и для увеличения ее коэффициента теплоотдачи;
• внутреннюю поверхность трубок легче чистить от загрязнений, поэтому теплоноситель, который может загрязнять теплопередающую поверхность, следует направлять в трубки;
• среду под высоким давлением целесообразно направлять в трубки, опасность разрыва которых меньше по сравнению с кожухом;
• среду с очень высокой или наоборот с низкой температурой лучше подавать в трубки для уменьшения потерь тепла в окружающую среду.

Работу кожухотрубных теплообменников  можно интенсифицировать, применяя трубы малого диаметра. Необходимо иметь в виду, что при уменьшении диаметра труб увеличивается гидравлическое сопротивление теплообменника.

Наиболее простой путь обеспечения  высоких скоростей состоит в  устройстве многоходовых теплообменников. Число ходов в трубном пространстве может доходить до 8 - 12. При этом часто не удается сохранить принцип противотока. Наличие смешанного тока буден несколько снижать движущую силу процесса теплопередачи, что соответственно снизит эффективность работы. С помощью перегородок увеличивается скорость движения той среды, у которой меньше значение коэффициента теплоотдачи. Следует иметь в виду, что в длинных, особенно в многоходовых, теплообменниках уменьшается смешение поступающей среды со всем ее количеством, находящемся в аппарате, и этим предупреждается возможное дополнительное уменьшение средней разности температур.

В кожухотрубных теплообменниках  при большой разности температур между средами возникают значительные термические напряжения, особенно в  момент пуска или остановки аппарата, вызванные различным удлинением трубок и кожуха под воздействием различных температур. Во избежание возникновения таких напряжений используются следующие меры:

1. Установка в корпусе аппарата линзового компрессора.
2. Установка в теплообменнике только одной трубной решетки, в которой закреплены трубки U - образной формы.
3. Устройство теплообменников с «плавающей головкой».
4. Закрепление трубок в одной из трубных решеток с помощью сальников.
5. Сальниковое соединение трубной решетки с кожухом.

Теплообменники типа «труба в трубе». Теплообменники этого типа смонтированы из труб, каждая из которых окружена трубой несколько большего диаметра. Одна среда течет по 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 секций с помощью коллекторов. В теплообменнике типа «труба в трубе» соответствующим подбором диаметров труб для обеих теплообменивающих сред можно назначить любую скорость, а следовательно получить соответственно высокие значения величин . Недостатком таких теплообменников является большой расход металла на единицу, тепло передающей поверхности вследствие затрат на бесполезные для теплообмена внешние трубы, что приводит к значительному увеличению стоимости аппарата. Этот недостаток становится менее ощутимым, если внешние трубы изготовлены из обычной углеродистой стали, а внутренние - из дорогостоящего материала в условиях агрессивных сред. Теплообменники типа «труба в трубе» особенно широко применяются тогда, когда среды подаются под высоким давлением (десятков и сотен атмосфер).

Теплоотдача от конденсирующегося  пара. Одним из наиболее часто применяемых в химической промышленности методов нагревания является обогрев конденсирующимся водяным паром. Достоинства такого обогрева следующие:

1. Пар обладает большим теплосодержанием, обусловленным теплотой конденсации.
2. Есть возможность применения мятого пара после турбин, который еще не потерял свою теплоту конденсации.
3. Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара имеет большую величину.
4. Конденсирующийся пар обеспечивает равномерность и точность обогрева, легко регулируемого изменением давления.

 

Также на величину коэффициента теплоотдачи  влияют в различной степени следующие  факторы:

• изменение величин и H (турбулентный режим стекания пленки);
• изменение скорости движения пара и его направления;
• изменение расположения теплопередающей поверхности (при горизонтальном расположении условия теплообмена ухудшаются);
• изменение состояния поверхности и характера конденсации;
• влияние перегрева пара;
• влияние примесей конденсирующихся газов.

 

 

Расчетная часть

    1. Тепловая схема и основные параметры.

     Принимаем индекс «1» для горячего теплоносителя (насыщенные пары бензола), индекс «2» для холодного теплоносителя (Вода).

Температура конденсации  паров бензола – 80,2 °С.

Тепловая схема процесса:

∆t_б=70,4° С      ∆t_м=45,4° С

Средняя разность температур при противотоке теплоносителей:

Средняя температура воды:

       t₂=t₁-∆t_ср =80,4-57=23,4 °С.

Расход расход паров  бензола 10т/час  или 2,778кг/с

Количество теплоты, отдаваемой парами бензола:

, где  - удельная теплота конденсации бензола [1, рис.XLV]

 

Расход воды:

,

=4183 Дж/(кг К) - удельные теплоемкость воды при средней температуре =23,4 С [1, рис. XI  ].

 

 

 

Максимальная площадь  теплообмена:

;

Кор = 500 по [1, таб. 4.8]

F=1100009 /(500·57)=38,6 ;

 

 

    Для расчета выбираем кожухотрубчатый теплообменник (ГОСТ 15120-79) с трубами 25х2  мм

    2.Расчет кожухотрубчатого теплообменника.

    Для обеспечения интенсивного теплообмена принимаем критерий Рейнольдса Re₂>15000.

Для труб диаметром 25х2 мм

Возможные варианты : одноходовые  теплообменники однозначно не подходят, при достаточной площади количество труб слишком велико для турбулентного  режима течения, поэтому целесообразно провести уточненный расчет следующих вариантов:

1Т) 

2Т) 

Вариант 1.

Уточненный расчет поверхности теплопередачи :

- вязкость воды при  23,4 С; [1, с. 556]

Ввиду того, что температуры стенок со стороны паров бензола и  воды пока неизвестны, примем сомножитель равным 1,05 для обоих потоков.

, где 

λ  - коэффициент теплопроводности бензола при температуре конденсации,

ρ – плотность бензола при  температуре конденсации [1, рис.XLV]

r - удельная теплота парообразования бензола

μ – динамическая вязкость бензола  при температуре конденсации[1, рис V]

Δt – разница температур конденсации и температуры стенки

Δt=

H – длина трубок

 

Т.к. пары бензола не дают пристенных осадков, то , второй теплоноситель вода примем . Повышенная коррозионная активность воды диктует выбрать в качестве материала труб нержавеющую сталь. Теплопроводность нержавеющей стали примем равной . Сумма термических сопротивлений стенки и загрязнений равна

Поверхностная плотность  теплового потока:

Проверяем принятое значение (Pr/Pr_ст)^0,25

Было принято что Pr_ст=1,05,  разница =0,8%, что приемлемо.

  Аппарат с L=4м имеет площадь поверхности теплообмена = 31,0м²

Такой вариант не подходит, не хватает поверхности , берем аппарат  с L= 6м

Аппарат с L=6м имеет площадь поверхности теплообмена = 47,0м²

Запас площади поверхности  теплообмена:

Такой запас поверхности  хорош тем, что даже при больших  загрязнениях, при понижении начальной температуры воды в зимний период, теплообменник будет работать с нормальном режиме

 

 

 

 

Вариант 2.

Уточненный расчет поверхности теплопередачи :

, где 

Т.к. пары бензола не дают пристенных осадков, то , второй теплоноситель вода примем . Повышенная коррозионная активность воды диктует выбрать в качестве материала труб нержавеющую сталь. Теплопроводность нержавеющей стали примем равной . Сумма термических сопротивлений стенки и загрязнений равна

Аппарат с L=3м имеет площадь поверхности теплообмена = 49,0м²

Запас площади поверхности  теплообмена:

Запас поверхности теплообменника больше, чем в варианте 1, но и металлоемкость данного аппарата больше, что увеличивает  его стоимость по сравнению с  вариантом 1.

 

3. Расчет теплообменника труба в трубе

 

Рассмотрим теплообменник, изготовленный  из труб 219х6 мм (наружная труба) и 159х4,5 мм (внутренняя труба) – выбор обоснован  большим значением F - площади теплообмена и существенным расходом второго вещества - воды

 Скорость воды трубах для обеспечения турбулентного течения должна быть больше :

м/с

 Число параллельно  работающих труб 159х4,5 мм, при этом

Примем n=7

Для паров бензола:

Сумма термических сопротивлений  стенки и загрязнений равна

.

Площадь поверхности  теплообмена одного элемента длинной 9 м:

Число элементов 

Общее число элементов nN=9*2=18 шт. Масса 1 шт. 100 кг. Масса всего аппарата 1800 кг.

 

 

 

 

 

Расчет гидравлического  сопротивления

Расчет гидравлического  сопротивления теплообменника с  параметрами

Скорость жидкости в трубах:

Коэффициент трения:

Скорость в штуцерах при  d=0,125м

В трубном пространстве следующие  местные сопротивления: вход в камеру и выход из нее, один поворот на 180⁰, два входа в трубы и два выхода из них

Гидравлическое сопротивление  трубного пространства равно:

Число рядов труб, омываемых потоком  в межтрубном пространстве:

, округляя в большую сторону  получим 6. Число сегментных перегородок  х = 22, диаметр штуцеров к кожуху  – 0,2 м, скорость потока в  штуцерах:

Скорость газа в наименее узком  сечении межтрубного пространства равна:

В межтрубном пространстве следующие  местные сопротивления: вход и выход  паров через штуцера, 22 поворота через сегментные перегородки и 23 сопротивления трубного пучка  при его поперечном обтекании

Сопротивление межтрубного пространства равно:

Скорость в штуцере на выходе из теплообменника:

Скорость в штуцерах при  d=0,05м

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

     В данной работе проведен расчет кожухотрубчатого теплообменника (ГОСТ 15120-79) с трубами 25х2 мм и теплообменника типа «труба в трубе» (ГОСТ 9930-78), изготовленного из труб 219х6 мм (наружная труба) и 159х4,5 мм (внутренняя труба). Результаты расчетов показывают, что кожухотрубчатый теплообменник обладает рядом преимуществ перед теплообменником типа «труба в трубе»: имеет выше коэффициент теплопередачи, меньшую площадь поверхности, относительно равную массу, ниже по стоимости. На основании всех этих показателей можно сделать вывод о том, что рациональнее выбрать кожухотрубчатый теплообменник для обеспечения  должного теплообмена и достижения  более высоких тепловых нагрузок на единицу массы аппарата. Среди двух рассчитанных вариантов кожухотрубного теплообменника остановимся на варианте 1 т.к. он имеет меньшую массу чем вариант 2 и достаточный запас прочности. Выбранный теплообменник:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список используемых источников:

 

 

1. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А., «Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии». Л.: Химия, 1983.
2. Борисов Г.С., Брыков В.П., Дытнерский Ю.И. и другие, «Основные процессы и аппараты химической технологии». М.: Химия, 1991
3. «Справочник химика» под ред. Никольского т.3, Л.: Химия, 1971
4. Авербух Я.Д., Заостровский Ф.П., Матусевич Л.Н., «Процессы и аппараты химической технологии: курс лекций» Ч.2: «Теплообменные и массообменные процессы». Свердловск: изд. УПИ, 1973
5. Локотанов Н.С. «Процессы и аппараты химической технологии: Методические указания к курсовому проектированию». Свердловск: изд. УПИ, 1985