Расчет кожухотрубного теплообменника

                                                                             

Содержание

  Введение…………………………………………………………..............…….3

1. Физико-механические свойства нагреваемого теплоносителя…………...4

2.Виды теплообменников………………………………….………………......5

    2.1. Рекуперативные теплообменники………………………….…..………5

    2.2. Кожухотрубчатые теплообменники ……………………….…..………..6

    2.3.Регенеративные теплообменники………………………….…………..15

    2.4.Смесительные теплообменники……………………………………..15

3.Физические свойства воды…………………………….……………..........16

       4. Теплотехнические расчёты ……………………………………………….18

           4.1.Тепловой расчёт…………………………………………………..……...18

    4.2.Тепловой поверочный расчёт………………………………...………..22

    4.3. Гидравлический расчет аппарата………………………………………24

5. Техника безопасности………………………………………...……..…….26

Литература……………………………………………………..………...…...27

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

    Теплообменники – аппараты, в которых происходит теплообмен между рабочими средами независимо от их технологического или энергетического назначения (подогреватели, выпарные аппараты, конденсаторы, пастеризаторы, испарители и др.).

Классификация теплообменников возможна по нескольким признакам:

1. По способу передачи тепла различают 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.

2. По основному назначению различают подогреватели, испарители, холодильники, конденсаторы.

В зависимости  от вида рабочих сред различают теплообменники:

– жидкостно-жидкостные – при теплообмене между двумя  жидкими средами;

– паро-жидкостные – при теплообмене между паром  и жидкостью;

– газо-жидкостные – при теплообмене между газом и жидкостью.

3. По тепловому режиму различают теплообменники периодического действия, в которых наблюдается нестационарный процесс, и непрерывного действия с установившимся во времени процессом.

В качестве теплоносителя  наиболее широко применяется насыщенный или слегка перегретый водяной пар. В смесительных аппаратах пар обычно впускают под уровень жидкости, при этом конденсат пара смешивается с продуктом, что не всегда допустимо. В поверхностных аппаратах пар конденсируется на поверхности теплообмена, и конденсат удаляется отдельно от продукта с помощью водоотводчиков.

 

1. Физико-механические свойства нагреваемого теплоносителя.

 

Вода - это прозрачная жидкость без запаха, вкуса, а в  малом объеме и без цвета, Молекулярная масса воды - 18,0160, химическая формула - Н2О. Максимальная плотность дистиллированной воды - 1 г/см куб. при температуре 3,982 градуса и нормальном давлении 1 атм.

Вода обладает способностью поглощать большое  количество теплоты и сравнительно мало при этом нагреваться. У воды очень высокая скрытая теплота плавления льда (79 кал/г) и испарения (539 кал/г при 100 гр. С), т. е. она поглощает значительное количество дополнительной теплоты при неизменности температуры в процессе замерзания и при кипении.

Удельная теплоемкость воды выше, чем у большинства веществ (кроме водорода и аммиака): при 100 градусах=0,487 кал/г- град, а при 15 градусах=1,000 кал/г град

Диэлектрическая проницаемость воды (Е в единицах СГСЭ) 81,0 при 20 градусах (это объясняет  наличие у воды особых свойств, в частности способности растворять многие вещества).

Вязкость при 20 градусах=1,005 сантипуаза (спз). При  О градусов  вязкость чистой воды 1,789 спз, а при 100 градусах - только 0,282, т. е. в 6 раз меньше. Вязкость водяного пара при 15 градусах  всего 0,006 спз, т.е. значительно меньше, чем у воды при той же температуре.

• Температура на входе нагреваемого теплоносителя: ;
• Температура на выходе нагреваемого теплоносителя: ;
• Среднее давление нагреваемого теплоносителя: ;
• Объёмный расход нагреваемого теплоносителя: ;
• Средняя теплопроводность материала в диапазоне 100÷150  ⁰ С:     (материал 08Х18Н10);

 

             2.Виды теплообменников.

 Теплообменник – устройство для передачи тепла от одного теплоносителя к другому.

 Теплообменный аппарат – автономное теплопередающее устройство, состоящее из теплопередающего элемента (элементов) и полостей для движения теплоносителей. Имеет устройства для входа и выхода теплоносителей. Число, состав и схема соединения элементов в аппарате могут быть любыми.

 Система теплообменников – совокупность теплообменников, расположенных в ряд параллельно, либо в любой другой последовательности. Теплообменники в системе отличаются составом теплоносителей.

Теплообменники по способу  передачи теплоты подразделяют на поверхностные, где отсутствует непосредственный контакт теплоносителей, а передача тепла происходит через твёрдую  стенку, и смесительные, где теплоносители контактируют непосредственно. Поверхностные теплообменники в свою очередь подразделяются на рекуперативные и регенеративные, в зависимости от одновременного или поочерёдного контакта теплоносителей с разделяющей их стенкой.

 

2.1. Рекуперативные теплообменники

 Рекуперативный теплообменник — теплообменник, в котором горячий и холодный теплоносители движутся в разных каналах, в стенке между которыми происходит теплообмен. При неизменных условиях параметры теплоносителей на входе и в любом из сечений каналов, остаются неизменными, независимыми от времени, т.е процесс теплопередачи имеет стационарный характер. Поэтому рекуперативные теплообменники называют также стационарными.

 В зависимости от направления движения теплоносителей рекуперативные теплообменники могут быть прямоточными при параллельном движении в одном направлении, противоточными при параллельном встречном движении, а также перекрестноточными при взаимно перпендикулярном движении двух взаимодействующих сред.

 Наиболее распространённые в промышленности рекуперативные теплообменники:

• Кожухотрубные теплообменники,
• Элементные (секционные) теплообменники,
• Двухтрубные теплообменники типа "труба в трубе",
• Витые теплообменники,
• Погружные теплообменники,
• Оросительные теплообменники,
• Ребристые теплообменники,
• Спиральные теплообменники,
• Пластинчатые теплообменники,
• Пластинчато-ребристые теплообменники,
• Графитовые теплообменники.

2.2.Кожухотрубчатые теплообменники

 Основными элементами кожухотрубчатых теплообменников являются пучки труб, трубные решетки, корпус, крышки, патрубки. Концы труб крепятся в трубных решетках развальцовкой, сваркой и пайкой.

                                                       

Рис.1 кожухотрубчатый теплообменник

   Для увеличения скорости движения теплоносителей с целью интенсификации теплообмена нередко устанавливают перегородки как в трубном, так и в межтрубном пространствах.

   Кожухотрубчатые теплообменники могут быть вертикальными, горизонтальными и наклонными в соответствии с требованиями технологического процесса или удобства монтажа. В зависимости от неличины температурных удлинений трубок и корпуса применяют кожухотрубчатые теплообменники жесткий, полужесткой и нежесткой конструкции.

    Аппараты жесткой конструкции используют при сравнительно небольших разностях температур корпуса и пучка труб; эти теплообменники отличаются простотой устройства.

    В кожухотрубчатых теплообменниках нежесткой конструкции предусматривается возможность некоторого независимого перемещения теплообменных труб и корпуса для устранения дополнительных напряжений от температурных удлинений. Нежесткость конструкции обеспечивается сальниковым уплотнением на патрубке  или корпусе, пучком U образных труб, подвижной трубной решеткой закрытого и открытого типа.

    В аппаратах полужесткой конструкции температурные деформации компенсируются осевым сжатием или расширением специальных компенсаторов, установленных па корпусе. Полужесткая конструкция надежно обеспечивает компенсацию температурных деформаций, если они не превышают 10—15 мм, а условное давление в межтрубном пространстве составляет не более 2,5 кгс/см² .

 

Элементные (секционные) теплообменники

Эти теплообменники состоят из последовательно соединенных  элементов—секций. Сочетание нескольких элементов с малым числом труб соответствует принципу многоходового кожухотрубчатого аппарата, работающего на наиболее выгодной схеме — противоточной. Элементные теплообменники эффективны в случае, когда теплоносители движутся с соизмеримыми скоростями без изменения агрегатного состояния. Их также целесообразно применять при высоком давлении рабочих сред. Отсутствие перегородок снижает гидравлические сопротивления и уменьшает степень загрязнения межтрубного пространства. Однако по сравнению с многоходовыми кожухотрубчатыми теплообменниками элементные теплообменники менее компактны и более дороги из-за увеличения числа дорогостоящих элементов аппарата—трубных решеток, фланцевых соединений, компенсаторов и др. Поверхность теплообмена одной секции применяемых элементных теплообменников составляет 0,75—30 м², число трубок — от 4 до 140.

Рис.2 Элементный (секционный) теплообменник

 

Двухтрубные теплообменники типа “труба в трубе”

 

Теплообменники  этого типа состоят из ряда последовательно  соединенных звеньев. Каждое звено  представляет собой две соосные  трубы. Для удобства чистки и замены внутренние трубы обычно соединяют между собой «калачами» или коленами. Двухтрубные теплообменники, имеющие значительную поверхность нагрева, состоят из ряда секций, параллельно соединенных коллекторами. Если одним из теплоносителей является насыщенный пар, то его, как правило, направляют в межтрубное (кольцевое) пространство. Такие теплообменники часто применяют как жидкостные или газожидкостные. Подбором диаметров внутренней и наружной труб можно обеспечить обеим рабочим средам, участвующим в теплообмене, необходимую скорость для достижения высокой интенсивности теплообмена.

Преимущества  двухтрубного теплообменника: высокий  коэффициент теплоотдачи, пригодность  для нагрева или охлаждения сред при высоком давлении, простота изготовления, монтажа и обслуживания. 
Недостатки двухтрубного теплообменника — громоздкость, высокая стоимость вследствие большого расхода металла на наружные трубы, не участвующие в теплообмене, сложность очистки кольцевого пространства.

                          

Рис.3 Двухтрубный теплообменник типа “труба в трубе” 

 

 

Витые теплообменники

Поверхность нагрева  витых теплообменников компонуется  из ряда концентрических змеевиков, заключенных в кожух и закрепленных в соответствующих головках. Теплоносители  движутся по трубному и межтрубному  пространствам. Витые теплообменники широко применяют в аппаратуре высокого давления для процессов разделения газовых смесей методом глубокого охлаждения. Эти теплообменники характеризуются способностью к самокомпенсации, достаточной для восприятия деформаций от температурных напряжений.

                                                      

Рис.4 Витой теплообменник  

 

Погружные теплообменники 

Теплообменники  этого типа состоят из плоских  или цилиндрических змеевиков (аналогично витым), погруженных в сосуд с  жидкой рабочей средой. Вследствие малой скорости омывания жидкостью и низкой теплоотдачи снаружи змеевика погружные теплообменники являются недостаточно эффективными аппаратами. Их целесообразно использовать, когда жидкая рабочая среда находится в состоянии кипения или имеет механические включения, а также при необходимости применения поверхности нагрева из специальных материалов (свинец, керамика, ферросилид и др.), для которых форма змеевика наиболее приемлема.

Оросительные  теплообменники 

Оросительные  теплообменники представляют собой ряд расположенных одна над другой прямых труб, орошаемых снаружи водой. Трубы соединяют сваркой или на фланцах при помощи «калачей». Оросительные теплообменники применяют главным образом в качестве холодильников для жидкостей и газов или как конденсаторы. Орошающая вода равномерно подается сверху через желоб с зубчатыми краями. Вода, орошающая трубы, частично испаряется, вследствие чего расход ее в оросительных теплообменниках несколько ниже, чем в холодильниках других типов. Оросительные теплообменники — довольно громоздкие аппараты; они характеризуются низкой интенсивностью теплообмена, но просты в изготовлении и эксплуатации. Их применяют, когда требуется небольшая производительность, а также при охлаждении химически агрессивных сред или необходимости применения поверхности нагрева из специальных материалов (например, для охлаждения кислот применяют аппараты из кислотоупорного ферросилида, который плохо обрабатывается).