Рассчет и подбор кожухотрубчатого теплообменника

Содержание

 

    Введение 3

1. Поверочный расчёт кожухотрубчатого теплообменного аппарата       8

2. Гидравлический расчёт теплообменного аппарата          12

3. Прочностной расчет теплообменного аппарата                   15

    3.1. Расчёт толщины стенки кожуха            15

3.2. Расчет толщины эллиптического днища                                       15

3.3. Расчет трубной решетки 16

4.     Выбор точек контроля 22

Заключение 24

Список использованных источников 25

 

 

Введение

 

В химической и нефтехимической  промышленности самое широкое распространение  получили поверхностные теплообменники, чаще всего трубчатого типа. Теплообменники этого типа называются кожухотрубчатыми или кожухотрубными. Они достаточно просты в изготовлении, позволяют развивать большую поверхность теплообмена в одном аппарате, надежны в работе.

Этот тип теплообменной  аппаратуры получил наибольшее распространение  благодаря простоте конструкции  и технологии изготовления. Согласно государственному стандарту кожухотрубные теплообменники изготовляют следующих типов: ТН – с неподвижными трубными решетками и жестким кожухом; ТК – с неподвижными трубными решетками и температурным компенсатором на кожухе; ТУ – с неподвижными трубными решетками и U-образными теплообменными трубами; ТП – с плавающей головкой; ТС – с сальником на плавающей головке.

В зависимости от назначения они могут быть подогревателями, холодильниками, конденсаторами и испарителями и целью увеличения скорости движения теплоносителей, изготовляются двух-, четырех-, шести- и двенадцатиходовыми.

  На рис. 1 изображен кожухотрубный вертикальный двухходовой теплообменник типа ТН (левая часть) и ТК (правая часть).

Теплообменник состоит  из цилиндрического сварного кожуха 4, трубного пучка 5, распределительной  камеры 2 и двух крышек 1, соединенных  с кожухом фланцами. Трубная решетка 9 приварена к корпусу. Перегородка 3 служит для образования двух ходов по трубам. Перегородки 8, зафиксированные стержнем 7, служат для обеспечения зигзагообразного движения теплоносителя в межтрубном пространстве. За счет зигзагообразного движения увеличивается скорость теплоносителя и, следовательно, коэффициент теплопередачи. Для защиты трубок от эрозии и истирания движущейся средой внутри кожуха напротив входного патрубка установлен обтекатель 10, представляющий изогнутую пластину, приваренную к корпусу.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1. Двухходовой вертикальный кожухотрубный теплообменник:

1 – крышка; 2 – распределительная  камера; 3, 8 – перегородки; 4 – кожух; 

5 – трубный пучок; 6 –  опоры; 7 – стержень; 9 – трубная  решетка; 

10 – обтекатель; 11…14 –  патрубки; 15 – линзовый компенсатор

 

Вследствие жесткого крепления  трубных решеток к кожуху и  трубок к решеткам при возникновении  разности температур в местах их крепления  возникают температурные напряжения, обусловленные различным удлинением кожуха и трубок.

Для частичной компенсации  температурных напряжений, которые  могут достигать существенных значений, в данных теплообменниках устанавливается  линзовый компенсатор 15. Он состоит  из двух частей, отштампованных из стальных колец в виде полуволн и сваренных  между собой по периметру.

Особенностью аппаратов  типа ТН является то, что трубы жестко соединены с трубными решетками, а сами решетки приварены к  кожуху. В связи с этим при работе аппарата возникают температурные  напряжения, которые при повышении  допустимых значений являются причиной нарушения герметичности или  появления пластических деформаций элементов конструкции. По этой причине  теплообменники типа ТН используются при небольшой разности температур кожуха и труб.

Если расчетная разность температур кожуха и труб превышает  величину 50-60 ºС, необходимо использовать полужесткие конструкции типов ТК и ПК либо конструкции с полной компенсацией температурных напряжений (типы ТУ и ТП). Компенсирующая способность линзовых компенсаторов пропорциональна числу элементов, однако применять компенсаторы с числом линз более четырех не рекомендуется из-за снижения жесткости кожуха. Применение линзовых компенсаторов снижает максимально допустимое давление в межтрубном пространстве. В теплообменниках типа ТУ максимальная разность температур стенок кожуха и труб может достигать 100 ºС, а при дальнейшем ее увеличении могут возникнуть опасные напряжения в трубной решетке.

Преимущество теплообменников  типа ТУ состоит в возможности  чистки наружной поверхности трубного пучка. В то же время чистить внутреннюю поверхность довольно сложно.

Существенный недостаток этого типа – невозможность замены внутренних труб пучка при выходе их из строя. Кроме того, теплообменник  типа ТУ менее всего представляет собой компактную конструкцию. По-видимому, эти недостатки ограничивают их широкое  применение.

Теплообменники типа ТП на практике встречаются чаще, так  как здесь обеспечивается наилучшая  компенсация температурных деформаций за счет применения «свободно плавающей  головки». Такая конструкция часто  используется в испарителях.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

На рис. 2 показана конструкция кожухотрубных теплообменников с полной компенсацией температурных напряжений типа ТП (верхняя часть рисунка) и ТУ (нижняя часть рисунка). Такой теплообменник состоит из кожуха 3, трубного пучка 4, распределительной камеры 2, правой 5 и левой 6 крышек. Левая трубная решетка 1 зажата между фланцами 7 и 8, соединяющими кожух и распределительную камеру. Правая трубная решетка теплообменника ТП установлена внутри кожуха свободно и образует вместе с присоединенной крышкой 9 «плавающую головку».

Для увеличения скорости межтрубного  потока и его турбулизации на трубках 4 закреплены ходовые перегородки 10. Теплообменник установлен на двух опорах 11. Для правильного расположения трубного пучка внутри кожуха и облегчения сборки теплообменники типа ТП с диаметром выше 800 мм снабжаются роликовыми опорными платформами 12.

Компенсация температурных  напряжений в трубчатых теплообменниках  типа ТС достигается также путем  использования сальникового устройства  
(рис. 3.), которое может располагаться как на корпусе (левая часть), так и на патрубке (правая часть).

Последний вариант предпочтителен, так как периметр уплотнения, а следовательно, и усилие сжатия сальника в такой конструкции имеет меньшее значение.

Аппараты с сальниковыми уплотнениями используются при невысоких  давлениях (порядка 0,6 МПа).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.  Поверочный расчёт кожухотрубчатого теплообменного аппарата

 

Определение тепловой нагрузки:

                Вт

 

Определение конченой температуры  холодного раствора из уравнения  теплового баланса:

 

где – теплоемкость холодного раствора при его средней температуре. Остальные физико-химические свойства холодной жидкости при этой температуре:

Определение среднелогарифмической разности температур:

= 45,905

  Ориентировочный выбор теплообменника. В трубное пространство с меньшим проходным сечением целесообразно направить теплоноситель с меньшим расходом, т.е. горячий раствор. Это позволит выровнять скорости движения теплоносителей и соответвующие коэффициенты теплоотдачи , увеличивая таким образом коэффициент теплопередачи . Кроме того , направляя поток холодной жидкости в межтрубное пространство , можно отказаться от теплоизоляции кожуха теплообменника.

Примем ориентировочное  значение , что соответствует развитому турбелентному режиму течения в трубах. Очевидно, такой режим возможен в теплообменнике, у которого число труб, приходящихся на один ход, равно:

 

для труб диаметром  d_н=20Х2 мм

 

для труб диаметром  d_н=25Х2 мм

 

 

Примем ориентировочный  коэффициент теплопередачи 

  Ориентировочное значение поверхности теплообмена:

 

Как видно из табл. 2.3 [2], теплообменники с близкой поверхностью имеют диаметр кожуха 600-800 мм. При этом только многоходовые аппараты с числом ходов z=4 или 6 имеют соотношение n/z, близкие к расчетным.

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

Определим поправку для среднелогарифмической разности температур:

 

 

 

 

 

 

 

С учетом поправки ориентировочная  поверхность составит:

 

Теперь целесообразно  провести уточненный расчет следующих  вариантов (см. табл. 2.3 [2]):

1К: 

2К:

3К:

 

Уточнённый расчёт поверхности  теплопередачи:

Вариант 1К:

 

Коэффициент теплоотдачи  воды:

  0,023 Re^0,8 Pr^0,4 = 1584,786

Площадь сечения потока в межтрубном пространстве между  перегородвками (см. табл. 2.3 [2]) , тогда:

 

= 4,003;

Коэффициент теплоотдачи  масла:

  0,34 Re^0,8 Pr^0,4 = 2049,614

Термические сопротивления      .

Сумма термических сопротивлений  стенки и загрязненний равна: 

где - теплопроводность нержавеющей стали.

Коэффициент теплопередачи  равен

С учётом поправки ориентировочная  поверхность составит:

                  

Из табл. 2.3 [2] следует, что из выбранного ряда подходит теплообменник с трубами длиной  6,0 м и номинальной поверхностью

при этом запас 

 

Масса теплообменника (см. табл. 2.8 [2])

 

 

 

 

 

 

2. Гидравлический расчёт теплообменного аппарата

 

Скорость жидкости в  трубах :

Коэффициент трения:

где - относительная шероховатость труб;

- высота выступов  шероховатостей, в расчётах можно принять ∆=0,2 мм

Диаметр штуцеров в распределительной  камере

;

Скорость в штуцерах :

  Гидравлическое сопротивление трубного пространства равно :

= 1540,8 Па

Число рядов труб , омываемых потоком в межтрубном пространстве :

  Принимаем m = 15 .

Число сегментных перегородок    x =14(см. табл. 2.7 [2]) .

  Диаметр штуцеров к кожуху:

 

Скорость потока в штуцерах :

Скорость жидкости в  самом узком сечении межтрубного  пространства площадью   (см. табл. 2.3 [2])  равна:

Сопротивление межтрубного  пространства равно:

=6643,471 Па

 

Вариант 2К:

 Аналогичный расчет  дает следующие результаты:

 

 

 

Из табл. 2.3 [2] следует, что из выбранного ряда подходит теплообменник с трубами длиной  9,0 м и номинальной поверхностью

при этом запас 

 

 

Масса теплообменника (см. табл. 2.8)

 

 

 

Вариант 3К:

 Результаты расчета:

 

 

 

Из табл. 2.3 [2] следует, что из выбранного ряда подходит теплообменник с трубами длиной  4,0 м и номинальной поверхностью

при этом запас 

 

 

Масса теплообменника (см. табл. 2.8)

 

 

 

Окончательно выбираем темплообменник вариант 3K, имеющий преимущества перед двумя другими вариантами: по длине труб и гидравлическому сопротивлению и длине труб он предпочтительней вариантов 1K и 2K. По массе меньше, чем 2К.

 

 

3. Прочностной расчет теплообменного аппарата

 

Механический расчёт предполагает расчёт основных узлов и деталей  аппарата на прочность. Конструкция  и элементы аппаратов рассчитываются на наибольшее допускаемое рабочее  давление с учётом возможных температурных  напряжений, особенностей технологии изготовления деталей, агрессивности  действия рабочей среды и особенностей эксплуатации.

 

3.1 Расчёт толщины стенки кожуха

 

Толщина обечайки рассчитываем по формуле:

где Р_п – рабочее давление пара, МН/м²; D_а.вн – внутренний диаметр корпуса, м; j₁ – коэффициент прочности сварного шва, равный j₁=0,9; s_д – номинальное допустимое напряжение, МПа; С – поправка на коррозию, равна 1-6 мм в зависимости от скорости коррозии материала обечайки, м;

 

3.2 Расчет толщины эллиптического днища

 

Исходя из условия технологичности  изготовления толщину стенки днища, имеющего отверстие, определяем по выражению, м: