Спроектировать кожухотрубчатый теплообменник для нагревания воздуха

 

 

Министерство образования и науки Российской Федерации

 

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

 

Кафедра химической технологии

наименование кафедры

 

 

 

Допускаю к защите

                                 Руководитель  доцент Н. Д.Губанов

И.О. Фамилия

 

 

 

 

Спроектировать кожухотрубчатый теплообменник для нагревания воздуха

наименование темы

 

 

 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому проекту по дисциплине

 

 

 

Процессы и аппараты пищевых производств

 

1.006.00.00 ПЗ

обозначение документа

 

 

 

 

 

Выполнил студент группы  ТХКз-09-1_                              А.А. Земирова

шифр подпись  И. О. Фамилия

 

Нормоконтроль                                     _________                Н. Д. Губанов

 подпись                 И.О. Фамилия 

 

Курсовой проект защищен с оценкой _____________________________

 

 

 

 

 

 

 

Иркутск 2013 г. 

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Для расчета и подбора нормализированного теплообменного аппарата составим и рассчитаем  тепловой баланс, из которого определим тепловую нагрузку теплообменного аппарата и расход теплоносителя. Рассчитаем среднюю разность температур, выберем по опытным данным ориентировочный коэффициент теплопередачи. Рассчитаем ориентировочное значение поверхности теплообмена и по нему выберем стандартный теплообменник. Произведем уточненный расчет стандартного теплообменника: уточним коэффициенты теплоотдачи для горячего и холодного теплоносителя и уточненный расчет коэффициента теплопередачи. Сопоставим поверхности теплообмена расчетной и нормированной. Произведем гидравлический расчет.

Теплообменные аппараты применяются для проведения теплообменных процессов (нагревание или охлаждение). В данном курсовом проекте мы рассчитываем рекуперативный теплообменник, в котором теплоносители разделены стенкой и теплота передается от одного теплоносителя к другому через разделяющую их стенку.

Кожухотрубчатые теплообменники используются в тепло- и холодоснабжении, кондиционировании и вентиляции, металлургической, химической, сахарной, фармацевтической, целлюлозно-бумажной промышленности, тепловых и атомных станциях, машиностроении, нефтеперерабатывающих заводах, на производстве растительного масла и молокозаводах.

Теплообменники предназначены для нагрева и охлаждения различных сред с температурой теплообменивающих сред от -30 до 350ºС (типы ТН  и ТК) и от -30 до 450ºС (типы ТП  и ТУ).

Теплообменные аппараты изготовляют:

1) по  расположению – вертикальными (типы  Н, К и П) и горизонтальными (типы  Н, К, П и У);

2) по  числу ходов в трубном пространстве  – одноходовыми (типы Н и К), двухходовыми (типы Н, К, П и У), четырехходовыми (типы Н, К и П) и шестиходовыми  (типы Н, К  и П).

 

 

 

 

1 Выбор конструкционного материала  аппарата

 

Среда в аппарате коррозионная, тогда для деталей теплообменного кожухотрубчатого аппарата, соприкасающихся с разделяемой средой, выбираем сталь Х18Н10Т ГОСТ 5632-72, а для остальных - сталь Ст 3 ГОСТ 380-71.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Технологический  расчет аппарата

 

2.1 Общий  тепловой баланс

В задании проекта надо нагреть воздух от (-10) до 50°С, для этого используем насыщенный водяной пар, который применяется в пищевой промышленности для нагрева до температуры 256°С. Принимаем температуру для расчета 119,6 °С.

Определим среднюю температуру холодного теплоносителя (воздуха):

           (2.1)

При этой температуре воздух имеет следующие физико-химические показатели [1]:

- теплоемкость холодного теплоносителя

;

- число  Прандтля холодного теплоносителя

;

- коэффициент  теплопроводности холодного теплоносителя

;

- вязкость  динамическая холодного теплоносителя

;

- плотность  холодного теплоносителя

.

Тепловую нагрузку в соответствии с заданными техническими условиями находят из уравнения теплового баланса для одного из теплоносителей по формуле[2] 

;(2.2)

 

Тепловые потери при наличии теплоизоляции незначительны, поэтому в уравнении теплового баланса они не учитываются.

Тепловая нагрузка аппарата составит:

.

 

2.2  Расчет  расхода горячего теплоносителя

В качестве горячего теплоносителя примем насыщенный водяной пар с температурой конденсации 119,6°С. При этой температуре насыщенный пар имеет следующие физико-химические показатели [1]:

- коэффициент  теплопроводности горячего теплоносителя

;

- вязкость  динамическая горячего теплоносителя

;

- плотность  горячего теплоносителя

;

- число  Прандтля горячего теплоносителя

.

Расход пара определяется из уравнения теплового баланса [2]

кг/с,                         (2.3)        

где - удельная теплота парообразования.

 

2.3 Средняя  разность температур

В кожухотрубчатом теплообменнике схема взаимного движения теплоносителей – противоток.

 Для  установившегося процесса теплообмена  в случае противотока, для расчета  средней разности температур  используем формулу [2]

,                         (2.4)

где и - большая и меньшая разности температур на концах поверхности теплообмена.

;

;

 

2.4 Расчет  ориентировочной поверхности теплопередачи. Выбор теплообменного аппарата

 

Ориентировочный коэффициент теплопередачи в кожухотрубчатых теплообменниках примем минимальный (от конденсирующегося водяного пара к газу) [2]

Зная тепловую нагрузку аппарата, рассчитав среднею разность температур и выбрав ориентировочный коэффициент теплопередачи, определим ориентировочную поверхность теплообмена

;(2.5)

В многоходовых теплообменниках средняя движущая сила несколько меньше, чем в одноходовых,вследствие возникновения смешанного взаимного направления движения теплоносителей.

Поправку для среднелогарифмической разности температур  определим по уравнению

    (2.6)

    (2.7)

    (2.8)

          (2.9)

               (2.10)

Выбираем кожухотрубчатый теплообменный аппарат типа 1000 ТНГ-16-М1-0/25-4-2 гр. А  ГОСТ 15120-79:

1) Диаметр  кожуха  мм;

2) Длина  труб  мм;

3) Длина  аппарата  мм;

4) Поверхность  теплообмена  м2;

5) Диаметр  труб  мм;

6) Число  ходов – 2;

7) Общее  число труб – 718 штук.

 

2.5 Уточненный  расчет выбранного теплообменного  аппарата

         2.5.1 Расчет коэффициента теплоотдачи  холодного теплоносителя

.

Определим тип движения в каналах, для этого найдем число Рейнольдса

,                      (2.11)

где Re – число Рейнольдса;

- расход  теплоносителя, кг/с;

- эквивалентный  диаметр, 0,021 м для труб диаметром  мм;

- вязкость  теплоносителя, Па∙с.

Для холодного теплоносителя по формуле (2.11)

.

Режим движения турбулентный.

      (2.12)

Поправкой   можно пренебречь, так как разность температур и невелика [2].

 

2.5.2 Расчет  коэффициента теплоотдачи горячего  теплоносителя

 Горячий  теплоноситель меняет своё агрегатное  состояние, поэтому длярасчёта коэффициента  теплоотдачи используем формулу:

 

 

                                           (2.13)

 

 

2.5.3 Расчет  коэффициента теплопередачи и  необходимой поверхности теплопередачи.

Термическим сопротивлением со стороны пара можно пренебречь, для воды 1/rЗ.Х.=2800 Вт/м2·К. Повышенная коррозийная активность конденсирующегося пара диктует применять нержавеющую сталь в качестве материала для пластин. Теплопроводность нержавеющей стали [1], при толщине пластины 1,0 мм, примем равную λСТ=17,5 Вт/м2·К. Сумма термических сопротивлений стенки и загрязнений равна [2] (2.14)

Согласно [2] найдем коэффициент теплопередачи

,                                          (2.15)

Преобразуем формулу, и получим

;

   (2.16)

Следовательно, выбранный кожухотрубчатый теплообменник подходит с запасом 33%.

 

3 Гидравлический  расчет

 

Скорость жидкости в трубах

   (3.1)  

Коэффициент трения

  (3.2)  

где - относительная шероховатость труб;

- высота  выступов шероховатостей (в расчетах  можно принять  мм).

Местное сопротивление на входе в распределительную камеру и на выходе из нее следует рассчитывать по скорости жидкости в штуцерах.

Коэффициенты местных сопротивлений потоку, движущемуся в трубном пространстве:

- входная  и выходная камеры;

- поворот  между ходами;

- вход  в трубы и выход из них.

Местное сопротивление на входе в распределительную камеру и на выходе из нее следует рассчитывать по скорости жидкости в штуцерах.

В межтрубном пространстве гидравлическое сопротивление можно рассчитать по формуле

.    (3.3)

Скорость жидкости в межтрубном пространстве

      (3.4)

Коэффициенты местных сопротивлений потоку, движущемуся в межтрубном пространстве

- вход  и выход жидкости;

- поворот  через сегментную перегородку;

- сопротивление  пучка труб,

где .               (3.5)

Расчетные формулы для определения гидравлического сопротивления в трубном и межтрубном пространствах окончательно принимают вид:

       (3.6)

            (3.7)

где х – число сегментных перегородок.

Скорость жидкости в трубах

м/с.

Коэффициент трения

Диаметр штуцеров в распределительной камере м; скорость штуцеров

м/с.

Гидравлическое сопротивление трубного пространства равно

 

Диаметр штуцеров к кожуху м; скорость потока в штуцерах

м/с;

м/с.

Сопротивление межтрубного пространства равно

 

 

 

 

 

 

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

В данном курсовом проекте был рассчитан и подобран нормализованный кожухотрубчатый теплообменный аппарат для нагревания воздуха. Расход холодного теплоносителя–3,2 кг/с, температура начальная–5°С,конечная-55°С.Нагрев воздуха осуществляется насыщенным водяным паром с температурой конденсации 119,6°С.

В ходе расчетов был выбран кожухотрубчатый теплообменный аппарат типа 1000 ТНГ-16-М1-0/25-4-2 гр. А  ГОСТ 15120-79,с поверхностью теплообмена 226 м2 .

1) Диаметр  кожуха  мм;

2) Длина  труб  мм;

3) Длина  аппарата  мм;

4) Поверхность  теплообмена  м2;

5) Диаметр  труб  мм;

6) Число  ходов – 2;

7) Общее  число труб – 718 штук.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

 

1. Привалова, Е.А. Технологические расчеты в бродильных производствах / Е.А. Привалова - Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2004. – 74 с.
2. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию / под ред. Ю. И. Дытнерского. – 4-е изд., стереотипное. М.: ООО ИД «Альянс», 2008. – 496 с.
3. Павлов, К.Ф. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии: учеб. для вузов / К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А. Носков; под ред. чл.-кор. АН России П.Г. Романкова – 14-е изд., стереотипное - М.: ООО ИД Альянс, 2007. - 567 с.
4. Ульянов, Б.А. Процессы и аппараты химической технологии: учеб.пособие / Б.А. Ульянов, В.Я. Бадеников, В.Г. Ликучев. – Ангарск: Издательство Ангарской государственной технической академии, 2005. – 903 с.
5. Проектирование процессов и аппаратов пищевых производств: пособие по проектированию / под ред. В.Н. Стабникова. – Киев: Вища школа, 1982. – 199 с.