Расчет кожухотрубного теплообменника

   Теплопроводность  описывается основным законом передачи теплоты — законом Фурье, указывающим, что количество теплоты, переданное вследствие теплопроводности, пропорционально градиенту температуры dt / dn, площади dF, через которую осуществляется передача теплоты, времени dt проведения

процесса:

   Q= - λ  dF dt

   Знак  минус в уравнении  компенсирует отрицательное  значение градиента температур. Коэффициент пропорциональности λ, называется коэффициентом теплопроводности и показывает, какое количество теплоты проходит вследствие теплопроводности через 1м² поверхности за 1с при разности температур 1⁰К, приходящейся на 1м длины нормали к изотермической  поверхности.

   Коэффициент теплопроводности зависит в первую очередь от природы и агрегатного состояния веществ, через которые  осуществляется передача теп-

лоты. В меньшей степени на теплопроводность газов влияют температура, давление и влажность. 
 
 
 
 

   При нормальных температурах и давлениях лучшими  проводниками

теплоты являются металлы (λ  = 17,5... 384 Вт/(м • К)), худшими — газы (λ  = 0,006- 0,6 Вт/(м*К)). Для строительных материалов (в том числе теплоизоляторов) λ = 0,05... 1,0 Вт/(м*К), для капельных жидкостей   λ = 0,1 ...0,7 Вт/(м*К).

   Конвекция — процесс  распространения теплоты в жидкости или газе от поверхности твердого тела или наоборот. Процесс передачи теплоты одно-временно конвекцией и теплопроводностью называют теплоотдачей.

   При теплоотдаче теплота передается от стенки через тонкий пограничный слой теплопроводностью, а затем в поток (ядро) жидкости конвекцией.

   Основным  законом теплоотдачи является закон  Ньютона, согласно которому количество теплоты dQ_KOHB, переданное конвекцией от поверхности к окружающей среде (или наоборот), пропорционально поверхности теплообмена dF, разности температур поверхности t_ст и окружающей среды t_f и времени dt проведения процесса:

   dQ_KOHB = αF( t_ст - t_f ) dt.

   Коэффициент пропорциональности α, называется коэффициентом теплоотдачи и показывает, какое количество теплоты передается от теплообменной поверхности 1м² в окружающую среду или наоборот в течение 1с при разности температур теплообменной поверхности и окружающей среды 1⁰ К.

   Коэффициент теплоотдачи не является постоянной величиной для рас-сматриваемой среды и зависит в первую очередь от гидродинамических 

условий течения жидкости вдоль теплопередающей поверхности,  а также плотности, вязкости, удельной теплоемкости и других параметров теплоносителя. 
 
 
 
 
 

 

     В большинстве случаев взаимодействие теплоносителей происходит через некоторую поверхность раздела, которая в общем случае может рассматриваться как многослойная твердая стенка. В трубчатых теплообменниках теплообмен происходит через стенку трубы и два слоя загрязнений с обеих сторон стенки.

     Этот вид теплообмена называется  теплопередачей. Количество передаваемой  теплоты определяется основным  уравнением теплопередачи: 

                                       Q=KF∆tср,

где Q- тепловой поток, т.е. количество теплоты, передаваемое через поверхность теплообмена в 1с, Вт; К – коэффициент теплопередачи, м²; ∆tср – средняя разность температур горячего и холодного теплоносителя, К.

Коэффициент теплопередачи К показывает, какое  количество теплоты переходит в  единицу времени от более нагретого  к менее нагретому теплоносителю  через разделяющую их стенку площадью 1м² в течении 1с, при разности температур между теплоносителями 1К.

Удельная тепловая нагрузка (удельный тепловой поток):

                                          q = Q/F = K∆tср.

   Движущей силой теплопередачи  является разность температур  между горячим и холодным теплоносителем.

   Наиболее часто теплопередача  в промышленной аппаратуре протекает при переменных температурах теплоносителей. Температуры теплоносителей изменяются вдоль поверхности разделяющей их стенки, поэтому в тепловых расчетах пользуются средней разностью температур ∆tср, которая и входит в уравнение теплопередачи. 
 
 
 

     Количество теплоты, передаваемое  через поверхность при теплообмене,  нагрева или охлаждения средняя разность температур будет среднеарифметической, т.е.

                                     ∆tср = (∆tб + ∆tм) / 2,

если  отношение  ∆tб / ∆tм < 2. Здесь ∆tб  и  ∆tм – большая и меньшая разности температур на концах теплообменника.

    При более интенсивном теплообмене и больших  разностях  температур, т.е. при 

∆tб / ∆tм > 2, падение температур по длине поверхности неравномерно. В этом случае средняя разность будет среднелогарифмической, изменяющейся по кривой от начальной до конечной разности температур теплоносителей, и  расчет ведется по уравнению:

                                  ∆tср = ∆tб - ∆tм / 2,3 lg ∆tб / ∆tм.

        Теплопередача при переменных температурах зависит от взаимного направления движения теплоносителей вдоль разделяющей их стенки. Параллельный ток, или прямоток, - теплоносители (1 и 2) движутся в одном направлении (рис. 1,а). Противоток – теплоносители движутся в противоположных направлениях  (рис. 1,б). Перекрестный ток – теплоносители движутся взаимно перпендикулярно один другому (рис. 1,в). Смешанный ток – один из теплоносителей движется в одном направлении, а другой – как прямотоком, так и противотоком к первому (рис.1,г).

    Сопоставление температурных режимов  работы теплообменных аппаратов  при прямотоке и противотоке  убеждает, что при прямотоке (рис.2,а) максимальный температурный напор имеет место у входа в теплообменник. Затее этот напор уменьшается, достигая минимального значения на выходе из аппарата. При противотоке (рис.2,б) тепловая нагрузка более равномерна, а конечная температура 
 
 
 

нагревающей среды может быть выше конечной температуры  охлаждающей среды. Это позволяет  при регенерации теплоты обеспечить более высокий подогрев нагреваемой среды, а при охлаждении – снизить расход охлаждающего агента или при  том  же  расходе  понизить  конечную  температуру  охлаждаемой  среды.   
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                              1.3.Описание технологической схемы установки 

   Ректификационная  установка непрерывного действия (рис. 1) состоит из ректификационного массообменного аппарата - ректификационной колонны 1, представляющей собой вертикальный цилиндрический корпус, внутри которого расположены контактные устройства (насадка, тарелки).

   Снизу вверх по колонне движется поток пара, поступающий в ее нижнюю часть из испарителя 2, находящегося рядом или под самой колонной. Поступающий в колонну пар по составу представляет собой практически чистый труднолетучий компонент. На каждой тарелке при его перемещении  по колонне происходит конденсация поднимающегося пара, и за счет теплоты его конденсации — испарение находящегося в этой зоне легколетучего компонента.

Таким образом, происходят постоянное удаление из выходящего пара труднолетучего компонента и обогащение его легколетучим. В результате из верхней части колонны выгружаются пары практически чистого легколетучего компонента, который конденсируется в дефлегматоре 3. Получаемая жидкость разделяется в делителе 4 на два потока. Первый поток - флегма, возвращается  назад в колонну 1,создавая тем самым нисходящий поток жидкости, состоящий практически из чистого легколетучего компонента. Стекая вниз по колонне и взаимодействуя с восходящим паром, флегма постоянно обогащается   конденсирующимся  из нее труднолетучим компонентом, заменяющим постоянно испаряющийся легколетучий компонент. В результате жидкость, достигающая  
 
 
 
 

нижней  части колонны и поступающая в испаритель 2, состоит практически из низколетучего компонента.

    Подаваемую  на разделение исходную смесь подогревают  до температуры кипения в теплообменнике 5 и подают в колонну, в зону (или на тарелку), положение которой определяют в результате расчета контактного ректификационного аппарата.

    Зона  питания (или тарелка питания) делит колонну на две части. Верхняя, или укрепляющая, часть la обеспечивает  наибольшее укрепление поднимающихся паров, т.е. обогащение их легколетучим компонентом. Нижняя, или кубовая (исчерпывающая), часть 16, обеспечивает наибольшее удаление из жидкости легколетучего компонента. Второй поток жидкости, получаемый в дефлегматоре 3 и называемый дистиллятом, поступает в холодильник- теплообменник 6, а затем в сборник 9, откуда перекачивается в качестве целевого продукта насосом 10.

    Жидкость, выходящая из нижней части колонны, также делится на два потока. Первый возвращается в испаритель 2, откуда в виде пара подается назад в колонну, второй, называемый кубовым остатком, после охлаждения в холодильнике 7 направляется в сборник 8. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                  

                       1.4 . Устройство, принцип работы основного аппарата  

   Применяемая в промышленности теплообменная  аппаратура разнообразна как по своему функциональному назначению, так и по конструктивному исполнению. В теплообменных аппаратах могут происходить различные тепловые процессы: нагревание, охлаждение, испарение, конденсация, кипение и др.

   Учитывая  большой диапазон температур и давлений рабочих сред, а также разнообразие свойств теплоносителей при различных параметрах тепловой обработки, к основным требованиям, которым должны удовлетворять современные теплообменные аппараты, относятся следующие:

- аппарат  должен обеспечивать передачу  требуемого количества теплоты от одной среды к другой с получением необходимых конечных температур и при возможно большей интенсивности теплообмена;

- при  заданной тепловой нагрузке и  других рабочих параметрах аппарат  должен иметь меньшие габаритные  размеры и низкую удельную материалоемкость;

- аппарат  должен  работать стабильно при изменении в процессе теплообмена физических (а возможно и химических) свойств рабочей среды (вязкость, плотность, теплопроводность, фазовое состояние и др.);

- поверхность  теплообмена и другие элементы конструкции аппарата, омываемые рабочей средой, должны обладать высокой химической стойкостью;