Расчет кожухотрубного теплообменника (151758)

Посмотреть архив целиком


1. Тепловой расчет


Цель теплового расчета – определение необходимой площади теплопередающей поверхности, соответствующей при заданных температурах оптимальным гидродинамическим условиям процесса и выбор стандартизованного теплообменника [1].

Из основного уравнения теплопередачи:


, (1)


где F – площадь теплопередающей поверхности, м2;

Q – тепловая нагрузка аппарата, Вт;

K – коэффициент теплопередачи, ;

средний температурный напор, К.


1.1 Определение тепловой нагрузки аппарата


В рассматриваемой задаче нагревание воды осуществляется в горизонтальном теплообменнике теплотой конденсирующего пара, поэтому тепловую нагрузку определим по формуле [6]:


, (2)


где Gхол – массовый расход воды, кг/с, ;

Схол – средняя удельная теплоемкость воды, Дж/(кгК);

Тк, Тн – конечная и начальная температуры воды, К;

коэффициент, учитывающий потери теплоты в окружающую среду при нагревании, = 1,05.


Средняя температура воды:


0С ,


Этому значению температуры соответствует


.


Тогда


Вт,


с учетом потери


Вт.


1.2 Определение расхода пара и температуры его насыщения


Расход пара определим из уравнения:


, (3)


где D – расход пара, кг/с;

r – скрытая теплота конденсации пара, Дж/кг.

По [2, прил. LVII] при Рп = 0,3 МПа, r = 2171103 Дж/кг, Тк = 133 0С.

Из формулы (3) следует, что


кг/с.


1.3 Расчет температурного режима теплообменника


Цель расчета – определение средней разности температур и средних температур теплоносителей tср1 и tср2. Для определения среднего температурного напора составим схему движения теплоносителей.


Тн = 191,7 0С Пар Тк = 191,7 0С

tк = 96 0С Вода tн = 40 0С

0С 0С


Так как


, то 0С.


Температура пара в процессе конденсации не изменяется, поэтому tср1 = Тп = 191,7 0С, а средняя температура воды : tср 2 = tср 1-tср = 191,7-123,7=68 0С.


1.4 Выбор теплофизических характеристик теплоносителей


Теплофизические свойства теплоносителей определяем при их средних температурах и заносим в таблицу 1.



Таблица 1 Теплофизические свойства теплоносителей


1.5 Ориентировочный расчет площади поверхности аппарата. Выбор конструкции аппарата


Ориентировочным расчетом называется расчет площади теплопередающей поверхности по ориентировочному значению коэффициента теплопередачи К, выбираемому из [1, табл. 1.3]. Принимаем К= 800 Вт/(м2К), поскольку теплота передаётся от конденсирующего пара к воде, тогда ориентировочное значение площади аппарата по формуле (1)


м2.


Так как в аппарате горячим теплоносителем является пар, то для обеспечения высокой интенсивности теплообмена со стороны воды, необходимо обеспечить турбулентный режим движения и скорость течения воды в трубках аппарата. Принимаем число Рейнольдса Re = 12000.

Для изготовления теплообменника выберем трубы стальные бесшовные диаметром 25х2 мм.

Необходимое число труб в аппарате n, обеспечивающее такую скорость, определим из уравнения:


, (4)


где n – количество труб в аппарате, шт.;

d – внутренний диаметр труб, м;

G – массовый расход воды, кг/с;

- динамическая вязкость, Па·с;

Re – число Рейнольдса.

Из формулы (4):


шт.


Такому числу труб n = 39 шт. и площади поверхности аппарата F = 18,3 м2 по [1, табл. 1.8] ГОСТ 15118-79 и ГОСТ 15122-79 наиболее полно отвечает кожухотрубчатый двухходовой теплообменник диаметром 325 мм, с числом труб 28 в одном ходе, длиной теплообменных труб 4000 мм и площадью поверхности F = 17,5 м2.

Проверим скорость движения воды в трубах аппарата:



м/с.


Значение скорости находится в рекомендуемых пределах, поэтому выбор конструкции аппарата закончен.


1.6 Приближенный расчет коэффициентов теплоотдачи и коэффициента теплопередачи


Приближенным расчетом называется расчет коэффициентов и К по формулам, не учитывающим влияние температуры стенки теплопередающей поверхности на интенсивность теплоотдачи [1].

Коэффициент теплоотдачи при конденсации водяного пара на пучке вертикальных труб без учета температуры стенки рассчитывается по формуле [1, с. 24]:


, (5)


где G – массовый расход конденсирующегося пара, G = 6,24·10-1 кг/с;

n – число труб в аппарате с наружным диаметром d, шт;

теплопроводность, плотность и вязкость конденсата при температуре конденсации.

По формуле (5)


.


Режим движения воды в трубках аппарата:


турбулентный, так как Re>104.


Для расчета процесса теплоотдачи в закрытых каналах при турбулентном режиме движения и умеренных числах Прандтля (Рr < 80) рекомендуется уравнение [1, с. 23]:


, (6)


где – критерий Нуссельта;

критерий Рейнольдса;

критерий Прандтля;

отношение, учитывающее влияние направления теплового потока (нагревание или охлаждение) на интенсивность теплоотдачи.

Отношение принимаем равным 1, тогда по формуле (6):


, а

.


Принимаем тепловую проводимость загрязнений со стороны греющего пара [2, табл. ХХХI]:


,


а со стороны воды [2, табл. ХХХI]:


,

,

.


Тогда



Или


,


где – сумма термических сопротивлений всех слоев, из которых состоит стенка, включая слои загрязнений.

Так как теплообменная трубка тонкостенная (dвн > ), то для расчета коэффициента теплопередачи применяют формулу для плоской стенки


, (7)


где – коэффициенты теплопередачи со стороны пара и воды,

;

сумма термических сопротивлений.

По формуле (7)


.


Расчетная площадь поверхности теплообмена по формуле (1):


м2.


Площадь поверхности теплообмена выбранного теплообменного аппарата F=17,5 м2 , что отвечает требуемой поверхности, т.е. для выполнения уточненного расчета оставляем ранее выбранный в ориентировочном расчете аппарат.


1.7 Уточненный расчет коэффициентов теплоотдачи. Окончательный выбор теплообменного аппарата


Уточненным называется расчет коэффициентов теплоотдачи с учетом температуры стенки.

Расчет температуры стенки ведем методом последовательных приближений.

Первое приближение.

Задаемся значением температуры стенки со стороны пара, равным = 1000С.

Расчет коэффициента теплоотдачи при конденсации пара с учетом температуры стенки на пучке вертикальных труб будем вести по формуле [1, с. 24]:


, (8)


где ,,, - плотность, теплопроводность, удельная теплота конденсации, динамическая вязкость пленки при ; - разность температур стенки и конденсирующегося пара;

- длина труб.

Температура пленки: 0С.

Для = 16,5 0С:

= 59,06·10-2 Вт/(м·К);

= 998,7 кг/м3;

= 2460,85 ·103 Дж/кг; = 1108 ·10-6 Па·с.

По формуле (8):


Вт/(м2·К).


Удельная тепловая нагрузка со стороны пара:



Рассчитываем температуру стенки со стороны воды [1, с.16]:


, (9)


По формуле (9):


0С.


При этой температуре для воды [2, табл. ХXXIX]


rст2 )І= 2,48.


С учетом температуры стенки


;

.


Удельная тепловая нагрузка со стороны воды:



Сравнивая (q1)I с (q2)I, приходим к выводу, что 91571,5>>52088, поэтому расчет температуры стенки продолжаем, задаваясь другим значением температуры стенки со стороны пара.

Второе приближение

Задаемся температурой стенки со стороны пара (tст1)II = 105 0С.

Температура пленки: 0С, тогда = 133-105 = 28 0С

Для = 14 0С:

= 58,46·10-2 Вт/(м·К);

= 999,2 кг/м3;

= 2467,6 ·103 Дж/кг;

= 1186 ·10-6 Па·с.

По формуле (7):



Вт/(м2·К).


Удельная тепловая нагрузка со стороны пара:



Рассчитываем температуру стенки со стороны воды по формуле (9):


0С.


При этой температуре для воды [2, табл. ХXXIX]


rст2 ) = 2,158.


С учетом температуры стенки:


;

.


Удельная тепловая нагрузка со стороны воды:



И во втором приближении разница между (q1)ІІ и (q2)II более 5%




Расчет продолжаем, определяя tст1 графически по пересечению линий q1=f(tст1) и q2=f(tст2)

По найденному графически температуре (tст1)ІІІ=104,15С выполняем третий, проверочный расчет.

Температура пленки: 0С, тогда = 133-104,5 = 28,85 0С


Для = 14,425 0С:

= 58,56·10-2 Вт/(м·К);

= 999,15 кг/м3;

= 2466·103 Дж/кг;

= 1173 ·10-6 Па·с.


По формуле (7):


Вт/(м2·К).


Удельная тепловая нагрузка со стороны пара:



Рассчитываем температуру стенки со стороны воды по формуле (9):


0С.



При этой температуре для воды [2, табл. ХXXIX]


rст2 )= 2,1.


С учетом температуры стенки:


;

.


Удельная тепловая нагрузка со стороны воды:



Сравнивая (q1)III с (q2)ІІІ, приходим к выводу, что отклонение



т.е. не превышает 5%, поэтому расчет можем считать законченным.

Удельные тепловые потоки по обе стороны стенки равны (рис.2)



Рис. 2 Схема процесса теплопередачи


По формуле (7) коэффициент теплопередачи:


.


Площадь поверхности аппарата определяем по формуле (1):


м2,


По [1, табл. 1.8] ГОСТ 15122-79 окончательно выбираем двухходовой аппарат диаметром d=325 мм, с числом труб n = 56 шт, с длиной теплообменных труб L = 4000 мм и F = 17,5 м2.


1.8 Обозначение теплообменного аппарата


  1. Диаметр кожуха D = 325 мм по [1, с. 29] ГОСТ 9617-76.

  2. Тип аппарата ТНВ – теплообменник с неподвижными трубными решётками вертикальный.

  3. Условное давление в трубах и кожухе – 0,3 МПа.

  4. Исполнение по материалу – М1.

  5. Исполнение по температурному пределу – 0 – обыкновенное.

  6. Диаметр трубы d= 25 мм.

  7. Состояние поставки наружной трубы – Г – гладкая.

  8. Длина труб L= 4,0 м.

  9. Схема размещения труб – Ш – по вершинам равносторонних треугольников.

  10. Число ходов – 2.

Группа исполнения – А.

Теплообменник гр. А ГОСТ 15122-79.



Рис. 3. Вертикальный двухходовой кожухотрубчатый теплообменник

1-кожух; 2-трубная решетка; 3-трубка, 4-крышка, 5-распределительная камера



2. Конструктивный расчет


Цель конструктивного расчета теплообменных аппаратов с трубчатой поверхностью теплообмена – расчет диаметров штуцеров и выбор конструкционных материалов для изготовления аппаратов, трубных решеток, способ размещения и крепления в них теплообменных трубок и трубных решеток к кожуху; конструктивной схемы поперечных перегородок и расстояния между ними; распределительных камер, крышек и днищ аппарата; фланцев, прокладок и крепежных элементов; конструкций компенсирующего устройства, воздушников, отбойных щитков, опор и т.п [1, стр.42].


2.1 Выбор конструкционных материалов для изготовления аппарата


Материал выбирают по рабочим условиям в аппарате: температуре, давлениям, химическим свойствам теплоносителей и др. При выборе материала пользуемся рекомендациями [1, табл. 2.2] и ГОСТ 15199-79, 15120-79, 15121-79, в которых указаны материалы основных деталей в зависимости от группы материального исполнения.

Группа материального исполнения – М1. Материал: кожуха – В Ст3сп5 ГОСТ 14637-79; распределительной камеры и крышки – В Ст3сп5 ГОСТ 14637-89; трубы – сталь 10 ГОСТ 8733-87 [1, табл. 2.2].


2.2 Выбор трубных решеток, способ размещения и крепления в них теплообменных труб и трубных решеток к кожуху


Трубные решетки изготавливаются обычно цельными, вырезкой из листа. Для надежного крепления трубок в трубной решетки её толщина Sр(min) (в мм) должна быть не менее [1, с. 45]


, (11)


где с – прибавка для стальных трубных решеток, мм, с = 5 мм;

dн – наружный диаметр теплообменных трубок, мм, dн = 25 мм.

По формуле (11):


мм.


Толщину трубной решетки выбираем в зависимости от диаметра кожуха аппарата и уловного давления в аппарате [1, табл. 2.3]:


Sр = 27 мм.


Размещение отверстий в трубных решетках, их шаг регламентируется для всех теплообменников ГОСТ 9929-82.

По [1, с. 46] определяем шаг при размещении труб по вершинам равносторонних треугольников: при dн = 25 мм, t = 32 мм; отверстия под трубы в трубных решетках и перегородках размещают в соответствии с ГОСТ 15118-79 [1, табл. 2.6].

Размещение отверстий в трубных решетках выбранного аппарата показано на рис. 3.


Рис. 4 Размещение отверстий в трубных решетках


Основные размеры для размещения отверстий под трубы 25 х 2 мм в трубных решетках выбираем по [1, табл. 2.7], диаметр предельной окружности, за которой не располагают отверстия под трубы:


D0 = 287 мм,

2R = 281 мм,


Число отверстий под трубы в трубных решетках и перегородках по рядам:

0 ряд – 6

1 ряд – 9

2 ряд – 8

3 ряд – 7

4 ряд – 4

Общее число труб в решетке – 56 шт.

Отверстия в трубных решетках выполняем гладкими. По ГОСТ 15118-79 под трубы с наружным диаметром 25 мм установлен диаметр 25,5 мм.

Крепление труб в трубной решетке должно быть прочным, герметичным и обеспечивать их легкую замену. Применяем для крепления труб способ развальцовки с последующей отбортовкой (рис. 4).


Рис.5 Крепление труб в трубной решетке развальцовкой с последующей отбортовкой


Конец трубы, вставленной с минимальным зазором в отверстие трубной решетки, расширяется изнутри раскаткой роликами специального инструмента, называемого вальцовкой.

По [1, табл. 2.8] в соответствии с ГОСТ 26291-94 принимаем минимальную толщину стенки корпуса S = 6 мм.


2.3 Выбор конструктивной схемы поперечных перегородок и расстояния между ними. Отбойники