Проект поверхностного кожухотрубчатого конденсатора, работающего при атмосферном давлении

1 - трубная решетка с  развальцованными трубами,

2 - перегородки в трубном  пространстве,

3 - теплообменные трубки 

В кожухе помещается пучок теплообменных труб, трубы развальцованы, запаяны или вварены в трубную решетку, кожух закрыт крышками , теплоносители вводятся в трубное и межтрубное пространство через штуцеры. В межтрубном пространстве очень часто устанавливаются поперечные перегородки, закреплённые стяжками.

При малом расходе теплоносителя, подаваемого в трубное пространство, в крышках устанавливают перегородки, при этом теплоноситель проходит сначала по одной части труб потом по другой. Изготавливаются двух- четырёх- и шестиходовые кожухотрубчатые теплообменники. На рис. представлен такой теплообменник в сборе.

 

 

Рис.4 Шестиходовой теплообменник в сборе:

1- распределительная камера  с перегородками, 2 - кожух с трубным  пучком

Кожухотрубчатые теплообменники изготовляют с площадью теплообме-на от 1 м2 до 5000 м2, с диаметром кожуха от 159 мм до 3000 мм, с длиной труб от 1000 мм до 9000 мм и диаметром теплообменных трубок 20х2 мм или 25х2 мм (см. Приложение А).

Основные преимущества кожухотрубчатых аппаратов: универсальность по назначению (холодильники, подогреватели жидкости или газа, а также конденсаторы и кипятильники); простота конструкции; надежность; широкий диапазон давлений и температур рабочих сред.

Недостатком кожухотрубчатых теплообменников является низкий коэф-фициент унификации (отношение числа узлов и деталей, одинаковых для всего размерного ряда, к общему числу узлов и деталей в аппарате), который состав-ляет всего 0.13. Поэтому кожухотрубчатые теплообменники мало технологичны в условиях производства широкого ряда типоразмеров.

                                  

  Теплообменники «Труба в трубе»

        Теплообменники «труба в трубе» или двухтрубные теплообменники применяются при небольших расходах теплоносителей.

 

 

Рис. 5 - Элемент теплообменника «труба в трубе»

  Такие теплообменники представляют собой набор последовательно соединённых друг с другом элементов состоящих из двух труб: труба меньшего диаметра вставлена в трубу большего диаметра Поверхности теплопередачи таких теплообменников, как правило, не более 20 м2. Проходные сечения данных теплообменников обеспечивают высокие скорости течения теплоносителей, следовательно, высокие коэффициенты теплопередачи.

 

Рис.6 - Разборный теплообменник «труба в трубе»:

1- внутренняя (теплообменная) труба, 2 - наружная (кожуховая труба),

3 - кронштейн, 4 - фланец, 5 - распределительная  камера 

       Теплообменники «труба в трубе» могут быть изготовлены как разборными, так и неразборными. Неразборные теплообменники являются конструкцией жесткого типа, поэтому при разности температур теплоносителей больше 70 градусов их не используют. Разборный теплообменник (рисунок 6) состоит из внутренней (теплообменной) трубы 1, наружной (кожуховой) трубы 2, кронштейна 3, фланца 4 и распределительной камеры 5. Направление движения теплоносителя по теплообменной трубе показано красной стрелкой, в кольцевом пространстве белой и желтой.

 

Рис.7 - Теплообменник типа «труба в трубе» в сборе

Секции теплообменника «труба в трубе» обычно соединяют друг с другом в единую конструкцию .Пространственная компоновка такой конструкции может быть любой, «трубу в трубе» иногда размещают вдоль стены помещения и т.п. Теплообменники «труба в трубе» используют в основном для охлаждения или нагревания в системе жидкость-жидкость, когда расходы теплоносителей невелики, и она не изменяет своего агрегатного состояния. Иногда такие аппараты применяют при высоком давлении для жидких и газообразных сред, например, в качестве конденсаторов в производстве метанола, аммиака и др.

По сравнению с кожухотрубчатыми теплообменниками аппараты «труба в трубе» имеют меньшее гидравлическое сопротивление и, следовательно, допускают более высокие скорости движения теплоносителей. Однако они менее компактны и более металлоемки.

                                       

 Пластинчатые теплообменники

Пластинчатые теплообменники представляют собой аппараты, теплообменная поверхность которых образована набором тонких гофрированных металлических пластин. Изготавливают такие аппараты в разборном и неразборном виде. Аппарат состоит из теплообменных пластин разделённых прокладками, которые зажимаются между неподвижной плитой и подвижной стяжным винтом. Каркас аппарата состоит из вертикальной стойки и горизонтальных штанг. На верхней горизонтальной штанге винтом крепится подвижная плита. Теплоносители вводятся и выводятся через штуцера на неподвижной плите.

 

 

Рис.8 - Устройство разборного пластинчатого теплообменника:

1 - неподвижная плита, 2 - подвижная  плита, 3 – вертикальная стойка, 4 – верх-няя горизонтальная штанга, 5 – нижняя горизонтальная штанга, 6 – крепёжный винт, 7 – стяжной  винт, 8 – болт, 9 – штуцер

 

Рис.9 - Пластинчатый теплообменник в сборе

        Теплообменная поверхность разборных пластинчатых теплообменников легкодоступна для очистки; монтаж и демонтаж таких аппаратов осуществляется весьма быстро. Такие теплообменники применяются как холодильники и конденсаторы.Изготавливают пластинчатые аппараты с поверхностью теплообмена до 800 м2. Допустимые температуры теплоносителей от –30° до 180 °С, давление до 1.6 МПа. Данный рабочий диапазон уже, чем у кожухотрубчатых теплообменников, это связано со свойствами прокладочных материалов для уплотнения пластин.

Спиральный теплообменник

В спиральном теплообменнике поверхность теплообмена образована двумя стальными лентами свёрнутыми в спираль. При этом образуются каналы прямоугольного сечения, по которым, как правило, противотоком движутся теплоносители. Одно из веществ поступает в теплообменник по центру и выводится через штуцер на боковой поверхности теплообменника, другое вещество подается через боковой штуцер, а выводится через центральный. Спиральные теплообменники изготавливаются с поверхностью теплообмена 100 м2, используются при температурах 20° - 200 °С и давлении до 1 Мпа. Такие теплообменники просты в изготовлении и весьма компактны. Теплообменники со съёмной крышкой легко отчищаются от грязи и могут использоваться для теплоносителей с твёрдыми включениями.

Рис.10- Направление движения теплоносителей в спиральном

теплообменнике

 

Рис.11- Спиральный теплообменник со съёмной крышкой

 

 

 

 

 

 

Обоснование принятых конструктивных решений

Кожухотрубчатые теплообменные аппараты являются наиболее применяемыми практически во всех отраслях промышленности, что предопределено длительной историей развития и совершенствования данного типа оборудования, простотой и надежностью конструктивных решений, доступностью и технологичностью материалов, применяемых как при изготовлении, так и при ремонте, отработанностью проведения монтажа и пуска в эксплуатацию, легкостью в обслуживании и надежностью в работе.

 В кожухотрубчатых теплообменных аппаратах достигаются достаточно большие соотношения поверхности теплообмена к объему и массе. Размеры поверхности теплообмена легко можно варьировать в широких пределах, конструкция имеет достаточную прочность и выдерживает нормальные нагрузки при сборке, перевозке и монтаже теплообменника, а также внутренние и внешние напряжения в обычных условиях эксплуатации. Очистка кожухотрубчатых теплообменных аппаратов не вызывает затруднений, а его элементы, наиболее подверженные коррозии, — прокладки и трубы, — легко могут быть заменены. Конструктивные особенности позволяют применять этот тип почти во всех случаях, включая предельно низкие или высокие температуры и давления, большие градиенты температур, при испарении и конденсации, а также при использовании сильно загрязненных и коррозионно-активных теплоносителей.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Расчётная часть

Задание:

Выполнить проектный расчёт поверхностного шестиходового кожухотрубчатого конденсатора для конденсации насыщенных паров расходом D=900кг/ч, и давлением Р= 2,5бар, и охлаждения конденсата пара до конечной температуры . Холодный теплоноситель- вода с начальной температурой .

Задачей курсового проектирования кожухотрубчатого конденсатора является определение расхода холодного теплоносителя и его конечной температуры, площади поверхности теплообмена, размеров аппарата ( диаметра и длины), диаметров штуцров и толщины слоя тепловой изоляции.

 

2.1. Расчёт конечной температуры и расхода холодного теплоносителя.

Конечная температура холодного теплоносителя расчитывается по формуле

                                                          (1)

 

                                                                   

В кожухотрубчатом конденсаторе на стенке труб происходит конденсация пара и охлаждение полученного конденсата до заданной температуры. Поэтому всю поветхность труб конденсатора ( поверхность теплообмена) условно разделим на две зоны. Первую – зону конденсации пара и вторую – зону охлаждения конденсата пара. Запишем  уравнение теплового баланса конденсатора, приняв допущение о равенстве нулю потерь тепла в окружающую среду:

Q=,                                                          (2) 

где

 Q- тепловая нагрузка теплообменника, Вт, это количество теплоты, полученное холодным теплоносителем, определяется по уравнению

Q=,                                                                    (3)

где

  - расход холодного теплоносителя, кг/с ( неизвестная величина);

- удельная  теплоёмкость холодного теплоносителя, Дж/кг*К, для воды определяется  из таблицы  свойств воды по  средней температуре :

 ,                                                                       (4)

 

=4180.

- количество теплоты, выделяемое при конденсации пара на стенке труб в первой зоне, Вт, определяется по уравнению

 ,                                                                                        (5)

где

 r- удельная теплота парообразования( конденсации), Дж/кг, для насыщенного водяного пара определяются по таблицам свойств водяного пара в зависимости от его давления Р=2,5бар;

D= 900кг/ч= 0,25кг/с;

r= 2182кДж= 2182000Дж;

.

-количество теплоты, выделяемое при охлаждении конденсата на стенке труб во второй зоне, Вт, определяется по уравнению

,                                                                     (6)

где

 - температура конденсации пара, для водяного пара определяется по его давлению Р из таблицы свойств насыщенного водяного пара;

=127,43

-удельная теплоёмкость  конденсата, для воды определяется из таблицы свойств воды по средней температуре :

,                                                                               (7)

;

=4200.

.

Подставим в уравнение теплового баланса(2) выражения (3),(5),(6):

,                                        (8)

Расход холодного теплоносителя рассчитываем из уравнения (8):

   ,

 

Q= =545500+98101,5=643601,5

2.2 Определение  числа труб и скорости течения  холодного теплоносителя в конденсаторе.

В кожухотрубчатых конденсаторах холодный теплоноситель течёт по трубам, а насыщенный пар подаётся в межтрубное пространство. Трубы в трубной решётке размещают, как правило, по вершинам равносторонних треугольников (т.е. по периметрам правильных шестиугольников). На рисунке ….. представлено размещение труб в трубной решётке.

Перегородки размещают в крышках по диагоналям правильных шестиугольников. Трубы, попадающие под перегородки, убирают. На рисунке ….  изображена схема расположения перегородок в шестиходовом кожухотрубчатом конденсаторе.

Число труб в одном ходу конденсатора определяется из уравнения расхода

,                                                      (9)

 

 

где

  - расход холодного теплоносителя, кг/с;

-скорость течения  холодного теплономителя по трубам, м/с, задаёмся значением в пределах 0,6-0,9м/с;

-внутроенний  диаметр трубы, м, для конденсатора  выбираем трубы размером 252,5 мм, для которых =0,02м;

- плотность холодного теплоносителя, кг/, определяется по его средней температуре , = 995, 7.

Общее число труб в теплообменнике n рассчитывается по формуле

n=,                                                      (10)

n=27,36=164, 18

где

Z- число ходов в теплообменнике, принимаем Z=6 (шестиходовой теплообменник).

Задаёмся размещением труб в трубной решётке по вершинам равносторонних треугольников и расположением перегородок по диагоналям правильных шестиугольников. Из таблицы числа труб, размещаемых в трубной решётке по правильным шестиугольникам выбираем теплообменник с ближайшим большим числом труб n, чем рассчитано по формуле(10). При рассчитанном n= 164,18 выбираем теплообменник с общим числом труб n=187.

Рассчитаем число труб попадающих под перегородки :

,                                                          (11)

,

где

в- число труб по диагонали шестиугольника (Из таблицы числа труб, размещаемых в трубной решётке по правильным шестиугольникам).

Число реальных труб в теплообменнике :

,                                                                     (12)

 

 

Число труб в одном ходу пересчитывается по формуле

,                                                                    (13)

 

 

Действительная скорость течения жидкости в трубах пересчитывается ро уравнению (14), полученному из уравнения (9):

,                                                                         (14)

.                                                                       

Трубы для конденсатора выполняются из коррозионностойкой стали ( нержавеющей) марки 1Х18Н10Т по ГОСТ5632. Применение в качестве материала  труб нержавеющей стали является более предпочтительным, учитывая её высокую стойкость к коррозии, меньшее загрязнение и окисление продукта при прохождении аппарата.

2.3 Определение  средней движущей силы процесса  теплопередачи

Изобразим  график изменения температур теплоносителей t вдоль поверхности теплообмена F кожухотрубчатого конденсатора.

 

Рисунок…- График изменения температур теплоносителей вдоль поверхности теплообмена кожухотрубчатого конденсатора .

Движущей силой теплопередачи является средняя разность температур между горячим и холодным теплоносителями . Для кожухотрубчатого конденсатора движущая сила определяется раздельно для первой зоны (зоны конденсации пара) и для второй зоны (зоны охлаждения конденсата) .