Понятие и классификация теплообменных аппаратов. Определение площади поверхности теплообмена и коэффициента теплопередачи. Расчет гидравлических и механических характеристик устройства. Обоснование мероприятий по снижению гидравлического сопротивления.
Теплообменник, теплообменный аппарат - устройство, в котором осуществляется передача теплоты от горячего теплоносителя к холодному (нагреваемому). В зависимости от вида рабочих сред различаются теплообменники: · жидкостно-жидкостные - при теплообмене между двумя жидкими средами; Для помещения в кожухе большей поверхности теплообмена и получения большего коэффициента теплоотдачи выгоднее применять трубки меньшего диаметра. Теплота от одного теплоносителя другому передается через поверхность стенок труб. В многоходовом по трубному пространству теплообменнике с помощью поперечных перегородок 2, установленных в крышках теплообменников, трубный пучок разделен на секции, или ходы, по которым последовательно движется теплоноситель.В ходе приближенных вычислений площадь поверхности теплообмена составила F=306,1 м2 при коэффициенте теплопередачи К=223,9 Вт/(м2*К). Запас площади теплообмена для нашего теплообменника составило 11,58%, что укладывается в допустимые значения.
Введение
Теплообменник, теплообменный аппарат - устройство, в котором осуществляется передача теплоты от горячего теплоносителя к холодному (нагреваемому). Теплоносителями могут быть газы, пары, жидкости. В зависимости от назначения теплообменные аппараты используют как нагреватели и как охладители. Применяется в технологических процессах нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической, газовой и других отраслях промышленности, в энергетике и коммунальном хозяйстве.
Классификация теплообменников возможна по различным признакам. По способу передачи тепла различаются теплообменники смешения, в которых рабочие среды непосредственно соприкасаются или перемешиваются, и поверхностные теплообменники-рекуператоры, в которых тепло передается через поверхность нагрева - твердую (металлическую) стенку, разделяющую эти среды.
По основному назначению различаются подогреватели, испарители, холодильники, конденсаторы.
В зависимости от вида рабочих сред различаются теплообменники: · жидкостно-жидкостные - при теплообмене между двумя жидкими средами;
· парожидкостные - при теплообмене между паром и жидкостью (паровые подогреватели, конденсаторы);
· газожидкостные - при теплообмене между газом и жидкостью (холодильники для воздуха).
· газово-газовые - при теплообмене между газом и газом и др.
По тепловому режиму различаются теплообменники периодического действия, в которых наблюдается нестационарный тепловой процесс, и непрерывного действия с установившимся во времени процессом.
Многотрубный кожухотрубчатый теплообменник представляет собой пучок трубок, помещенных в цилиндрическую камеру (кожух); таким образом, внутренность камеры является межтрубным пространством. Трубки закреплены в трубные решетки, ограничивающие камеру со всех сторон. К трубным решеткам крепятся распределительные коробки с патрубками для впуска рабочей жидкости, протекающей внутри трубок. Камера снабжена также патрубками для подвода и отвода второго рабочего тела. Трубки латунные, медные или стальные применяются диаметром от 10 мм и выше; трубки имеют большие диаметры при вязких или загрязненных жидкостях. Для помещения в кожухе большей поверхности теплообмена и получения большего коэффициента теплоотдачи выгоднее применять трубки меньшего диаметра. Трубные решетки могут быть наглухо приварены или приклепаны к корпусу, одна из решеток может быть не соединена с камерой. В этом случае уплотнение достигается резиновым кольцом, зажимающим щель между корпусом и решеткой, линзовыми компенсаторами и U-образными трубками. Кожух теплообменника обычно стальной, цилиндрический. Иногда для обеспечения свободы температурного расширения кожуха и трубок на кожухе устраивают компенсатор.
Кожухотрубчатые теплообменники достаточно просты в изготовлении, отличаются возможностью развивать большую поверхность теплообмена в одном аппарате, надежны в работе. Один из теплоносителей протекает по трубам, другой по межтрубному пространству. Теплота от одного теплоносителя другому передается через поверхность стенок труб. Обычно теплоносители подают в противоток. Такое движение теплоносителей способствует более эффективному переносу теплоты.
В одноходовом теплообменнике оба теплоносителя, не изменяя направления, движутся по всему сечению (один по трубному, другой по межтрубному), в других случаях 2,4,6-ти ходовые теплообменники. Когда скорость движения теплоносителя невелика и, следовательно, низки коэффициенты теплоотдачи, целесообразно использовать многоходовые теплообменники по трубному пространству. В многоходовом по трубному пространству теплообменнике с помощью поперечных перегородок 2, установленных в крышках теплообменников, трубный пучок разделен на секции, или ходы, по которым последовательно движется теплоноситель. При этом число труб в каждой секции обычно примерно одинаковое.
Из данного выражения можно найти расход обеспечивающей жидкости: G2=8.2*10-3м3/с.
Теплота процесса: Q=874.8 КВТ.
Большее и меньшее изменение температур: ?тб=15°С; ?tm=13°C.
Среднее логарифмическое изменение температур: ?tcp=(?тб-?тм)/Ln(?тб/?тм).
Тогда: ?tcp=14.29°C.
Для теплоносителя, имеющего меньшее изменение температуры в теплообменнике, средняя температура находится как среднеарифметическая температур входа и выхода: t’cp=27.5°C.
Для другого теплоносителя: t’’cp=41.79°C.
Находится предварительная величина площади поверхности теплопередачи: Fпр=Q/(?tcp*Кпр).
Тогда: Fпр= 306.1м2.
Число труб, приходящихся на один ход: n/z=(4*G)/(?*dвн*Re*?).
Тогда: n/z=0.05.
По вычисленным данным выбираем приближенно стандартный теплообменник: L=400мм; D=1000мм; d=20мм; z=1.
Вычисляем поправку на сложные схемы тока теплоносителей: E?t=P*v2/(1-P)*Ln(2-P(2-v2))/(2-P(2 v2)).
При Р=0,325; R=1: E?t= 0.96.
?t=0.96*14.29=13.7184°C.
Снова высчитываем значение площади, и выбираем стандартный теплообменник из литературных данных: F=318м2.
Уточненная площадь поверхности составляет: Fрасч=Q/(K*?t)=285м2.
Тогда: Fрасч= 285м2.
Запас площади поверхности теплообменника: (318-285)/285=11,58%.
Следовательно, стандартный теплообменный аппарат выбран верно.
2. Гидравлический расчет
Ориентировочное значение условного прохода штуцера: D=0.3*D0.86.
Скорость жидкости в трубах: Wtp=G1/(Stp*p).
Тогда: D=0.231м.
Wtp= 0.048 м/с.
Коэффициент трения ?тр зависит как от режима течения потока, так для турбулентного режима движения жидкости: ?тр=0,11*(10/Re 1.16*?/d)0.25.
Потеря давления на трение в трубах теплообменника: ?ртр=?тр*(L/dвн)*(pwtp)/2.
Скорость жидкости при прохождении штуцеров: Wtp.ш.=(G*z)/(?*dtp2*p).
Тогда: ?тр=0.1914;
?ртр= 0,73 Па;
Wtp.ш.= 0,023 м/с.
Потеря давления: ?pi=?i*(p*wi2)/2.
Потеря давления при выходе потока из штуцера в распределительную камеру теплообменника: ?p1=0,0003 Па.
Потеря давления при входе потока из распределительной камеры в трубы теплообменника: ?p2= 0.0006 Па.
Потеря давления при выходе потока из труб: ?p3= 0,0017 Па.
Потеря давления при входе потока в штуцер теплообменника: ?p4= 0,0001 Па.
Общее сопротивление трубного пространства: ?p=?p1 z*(?p2 ?ptp ?p3) ?p4.
Тогда: ?p=2,93 Па.
Так как ?рдопустимое>?р, то можно считать, что теплообменник для охлаждения паров ацетона водой выбран верно.
3. Расчет и выбор насоса
В промышленности широко применяются лопастные (центробежные, осевые, вихревые) и обычные (поршневые, шестеренчатые, винтовые и др.) насосы. Выбор типоразмера насоса осуществляется по значениям расхода G перемещающейся жидкости и преодолеваемого напора H: H=?p/(p*g) Hz hп.
Затрачиваемая на перемещение жидкости мощность: Nп=G*g*H.
Мощность на валу насоса: Nн=Nп/(?пер*?н).
Мощность двигателя: Nдв=Nн/?дв.
Мощность двигателя с запасом прочности: N=Nдв*?.
Тогда: H=4,2м;
Nп=328 Вт;
Nн=364 Вт;
Nдв= 467.2 Вт;
N= 934.4.
По рассчитанным данным в литературе выбираем стандартный насос для обеспечивающей жидкости: ОГ6-15.
4. Механический расчет
Площади сечений трубок и кожуха: St=?*(d-?т)*?т*n;
Sk= ?*(D ?к)*?к.
Растягивающие и сжимающие усилия: -Рт’=Рк’=(?т*(tт-tk)*E)/(1/st 1/Sk);
tt=(?1*тср ?2*?ср)/(?1 ?2).
Тогда: St=0.14м;
Sk=0.075м;
-Рт’=Рк’=2.34 МПА;
тт=34.2°С.
Давление в аппарате: Рт’’=?/4*n*d2*Pt;
Pk’’=?/4*(D2-?*dв2)*Pk.
Тогда: Рт’’=0.085 МПА;
Рк’’=0.17 МПА.
Напряжения, возникающие в трубках и кожухе теплообменника: ?т=(Pт’ Pt’’)/St;
?к=(Pк’ Pk’’)/Sk.
Тогда: ?т=17.3 МПА;
?к=33.4 МПА.
Так как ?расч<?доп, то механический расчет и выбор стандартного теплообменника можно считать верным.
5. Специальный вопрос
Задание: предложить и обосновать расчетами мероприятия по снижению гидравлического сопротивления ?р на 10, (15, 20)%.
Для снижения гидравлического сопротивления в теплообменнике может быть достаточно сократить количество ходов теплообменника, если такое возможно. Наиболее подходящий теплообменный аппарат, указанный в литературе с меньшим числом ходов: D=1000мм; L=600мм; n=718; d=25*2; F=338м2.
Но в данном случае запас площади поверхности нового теплообменника будет составлять: (338-285)/285=18,5%
И как следствие данный теплообменник нежелателен для применения.
Также возможно понизить скорость подачи сырья: ?p= ?*(p*w2)/2.
Тогда: ?p= 0,5*(100*6,72)/2=1122,5 Па;
?p= 0,5*(100*62)/2=900 Па.
Но это скажется на количестве поданного сырья.
Также возможно увеличить сечение труб, что видно из формулы расчета: ?p=?*(L/dвн)*(pw)/2.
Но это также отобразиться на всем процессе теплообмена.
Если же величина ?р значительно превышает допустимую, то возможно принять два параллельно включенных по данному теплоносителю теплообменника с тем, чтобы возможно было уменьшить расчетный ?Р до величины не выше допустимой.
Вывод
теплообменник расчет гидравлический механический
В ходе приближенных вычислений площадь поверхности теплообмена составила F=306,1 м2 при коэффициенте теплопередачи К=223,9 Вт/(м2*К).
По каталогу был выбран кожухотрубчатый теплообменник с поверхностью теплообмена F=318 м2.
Запас площади теплообмена для нашего теплообменника составило 11,58%, что укладывается в допустимые значения.
Из гидравлического расчета следует, что ?РДОП??p, а это означает, что теплообменник выбран верно.
Механический расчет показал, что растягивающие усилия не превышают допустимых и, как следствие, выбранный теплообменник не нуждается в дополнительном подборе компенсатора.
Список литературы
1. Машины и аппараты химических производств: Учебник для вузов / И.И. Поникаров и др. - М.: Машиностроение, 1989. - 368с.
2. Машины и аппараты химических производств: Примеры и задачи. Учебное пособие для студентов вузов/ И.В. Доманский и др. Под общей ред. В.Н. Соколова. - Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние., 1982. - 364с.
3. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию / Г.С.Борисов и др. Под ред. Ю.И. Дытнерского, 2-е изд., перераб. и дополн. - М.: Химия, 1991. - 496с.
4. Учебное пособие «Курсовое проектирование по процессам и аппаратам химической технологии. Теплообменные аппараты и ректификационные установки» Ю. Я. Печенегов, Р. И. Кузьмина.
Размещено на .ru
Вы можете ЗАГРУЗИТЬ и ПОВЫСИТЬ уникальность своей работы
