[ ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
СЕВЕРСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения
высшего профессионального образования
«Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
В.П. Пищулин
РАСЧЕТ КОЖУХОТРУБЧАТОГО ТЕПЛООБМЕННИКА
Учебное пособие Северск 2010 УДК 66.011 ББК П 368 Пищулин В.П. Расчет кожухотрубчатого теплообменника: учебное пособие/ В.П. Пищулин.– Северск: СТИ НИЯУ МИФИ, 2010. – 37 с.
Учебное пособие предназначено для студентов специальностей 240801 – «Машины и аппараты химических производств» и 240601 – «Химические материалы современной энергетики» при выполнении расчетнопрактических работ по курсу «Процессы и аппараты химической технологии».
В пособии приводятся методика и расчета тепловой нагрузки аппарата, коэффициентов теплоотдачи и теплопередачи, удельного теплового потока, поверхности теплопередачи, конструктивного и гидравлического расчетов теплообменника.
Пособие подготовлено на кафедре «Машины и аппараты химических производств» СТИ НИЯУ МИФИ и будет полезным студентам специальностей 240801 и 240601 при выполнении курсовых и дипломных проектов.
Пособие одобрено на заседании кафедры МАХП (протокол № 4 от « 30 » марта 2010 г.).
Рецензенты: Миронов В.М., доцент кафедры ОХТ ТПУ, канд.техн.наук.;
Балясников А.В., инженер-конструктор ЗРИ СХК;
Сваровский А.Я., профессор кафедры МАХП СТИ, д-р.техн.наук.
Печатается в соответствии с планом выпуска учебно-методической литературы на 2010 г., утвержденным Ученым советом СТИ НИЯУ МИФИ Рег. № 8/10 от « 18 » марта 2010 г.
ISBN_ © Северский технологический институт, 2010г.
Содержание Введение
1 Цель расчета
2 Состав и объем расчета
3 Тепловой расчет аппарата
3.1 Тепловая нагрузка аппарата
3.2 Основные уравнения теплопередачи
3.3 Расчет средней разности температур и средних температур теплоносителей
3.4 Расчет коэффициента теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенке
3.5 Расчет коэффициента теплоотдачи от стенки к жидкости……….. 3.6 Определение истинных значений удельного теплового потока, коэффициента теплопередачи, температур стенок, поверхности теплопередачи
3.7 Расчет истинных значений удельного теплового потока, коэффициентов теплоотдачи и теплопередачи, температуры стенок на ПК
4 Конструктивный расчет теплообменника
4.1 Цель конструктивного расчета теплообменника
4.2 Определение числа труб и числа ходов в трубном пространстве.. 4.3 Внутренний диаметр корпуса
4.4 Диаметр патрубков
5 Гидравлический расчет теплообменника
Литература
Приложение А (рекомендуемое). Исходные данные контрольного примера по расчету теплообменника
Приложение Б (рекомендуемое). Результаты расчета
Приложение В (обязательное). Задания на расчет кожухотрубчатого теплообменника
Введение Теплообменная аппаратура широко применяется в химической технологии в различных процессах нагревания, охлаждения растворов, жидкостей, конденсации пара, испарения жидкости.
Теплообменники должны отвечать таким требованиям, как высокая тепловая производительность и экономичность в работе при обеспечении заданных технологических условий процесса, простота конструкции, ее компактность, удобство монтажа и ремонта, надежность в работе, техническое и эстетическое соответствие времени, согласование требованиям охраны труда и техники безопасности, правилам Госгортехнадзора.
Кожухотрубчатые теплообменники в настоящее время являются самыми распространенными теплообменными аппаратами. Они обеспечивают высокую теплопроизводительность, большую поверхность теплопередачи [5-9].
Наиболее целесообразно применение кожухотрубчатых теплообменников для парожидкостного теплообмена, пример одного из них приведен на рисунке 1.
1 – поперечные перегородки межтрубного пространства;
2,3 – опорные лапы при вертикальном и горизонтальном расположении аппарата; 4 – штуцеры для входа и выхода из межтрубного пространства; 5 – трубные решетки; 6 – штуцеры для входа и выхода из трубного пространства; 7 – крышки; 8 – трубы;
9 – корпус Рисунок 1 – Кожухотрубчатый теплообменный аппарат В этом случае пар конденсируется в межтрубном пространстве, обеспечивая равномерность температуры и высокий коэффициент теплоотдачи, а раствор или жидкость пропускается по трубному пространству, в котором можно достичь высокой скорости движения, создать турбулентный режим, тем самым повысить интенсивность теплообмена. С целью увеличения скорости движения теплоносителя и интенсификации теплообмена в теплообменнике устанавливают перегородки в трубном или межтрубном пространствах, как показано на рисунке 2, то есть выполняют теплообменники многоходовыми.
компенсационные устройства: линзовые, сальниковые, сильфонные, мембранные, выполняют теплообменники Рисунок 2 – Многоходовый кожухотрубчатый теплообменник трубного пучка являются кожухотрубчатые теплообменники с плавающей головкой, имеющие одну жестко закрепленную и вторую свободно перемещающуюся совместно с плавающей головкой трубные решетки, как показано на рисунке 4. Они могут надежно работать практически при любой встречающейся в теплообменной аппаратуре разности температур теплоносителей. В теплообменниках с плавающей головкой также облегчается разборка и чистка межтрубного пространства.
Кожухотрубчатые теплообменники могут выполняться в вертикальном и горизонтальном исполнении.
Рисунок 3 – Кожухотрубчатый теплообменник с линзовым компенсатором Расчету кожухотрубчатого парожидкостного теплообменника посвящена данная работа.
Целью расчета является закрепление теоретических выводов и расчетно-практических рекомендаций по курсу «Процессы и аппараты химической технологии» и их приложение к конкретному расчету кожухотрубчатого горизонтального или вертикального парожидкостного теплообменника.
2.1 Состав и объем расчета определяются заданием. Расчет состоит из пояснительной записки с эскизами, оформленной в соответствии с ГОСТами ЕСКД.
2.2 Пояснительная записка содержит следующую документацию и разделы:
конструктивный расчет;
гидравлический расчет;
2.2.1 В введении описывается современное состояние в области теплообмена, конструировании теплообменной аппаратуры, указываются особенности рассчитываемой конструкции, ее достоинства, недостатки, формулируется задача расчета.
2.2.2 В тепловом расчете составляется тепловой баланс теплообменника, определяется тепловая нагрузка аппарата, рассчитываются средняя разность температур и средние температуры теплоносителей, коэффициент теплопередачи, удельный тепловой поток, температуры стенок и поверхность теплопередачи.
2.2.3 В конструктивном расчете производится выбор диаметра и длины теплообменных труб, определение числа труб и числа ходов в трубном пространстве, рассчитываются диаметр корпуса, диаметры патрубков. По результатам конструктивного расчета осуществляется компоновка теплообменника и вычерчивается эскиз аппарата.
2.2.4 Гидравлический расчет производится для трубного пространства теплообменника. В нем определяется гидравлическое сопротивление аппарата, мощность насоса, необходимого для подачи нагреваемого раствора в трубки теплообменника со скоростью, принятой в тепловом расчете.
2.2.5 В заключении указываются основные характеристики теплообменника, делаются выводы об интенсивности процесса теплопередачи в рассчитанном аппарате, приводятся рекомендации по эксплуатации.
3 Тепловой расчет аппарата 3.1 Тепловая нагрузка Целью теплового расчета теплообменного аппарата является определение тепловых потоков в аппарате, его тепловой нагрузки, истинных значений коэффициентов теплопередачи, температур стенок и поверхности теплообмена.
В кожухотрубчатом теплообменнике в случае конденсации пара, пар направляют в межтрубное пространство теплообменника, а жидкость – холодный теплоноситель пропускают по трубному пространству, тем самым достигаются более высокие скорости жидкости, а следовательно и коэффициент теплоотдачи и коэффициент теплопередачи.
Тепловую нагрузку аппарата определяют из уравнения теплового баланса [4-7] по формуле где Q – тепловая мощность, Вт;
Q – количество тепла, Дж;
D – расход пара, кг/с;
iп – энтальпия насыщенного пара, Дж/кг, iк – энтальпия конденсата, Дж/кг;
r – удельная теплота парообразования или конденсации, Дж/кг;
п – коэффициент полезного использования тепла в аппарате;
GII – массовый расход жидкости второго теплоносителя, кг/с;
cII – удельная теплоемкость жидкости, Дж/(кгК);
t 2 к – конечная температура жидкости, К;
t 2 н – начальная температура жидкости, К.
При выборе температур теплоносителей необходимо, чтобы минимальная разность температур теплоносителей была не меньше 5 °С. В случае расчета конденсаторов, когда в качестве холодного теплоносителя применяется необработанная вода, конечная температура воды не должна превышать 45-50 °С, чтобы исключить образование накипи в трубках теплообменника вследствие выпадания солей временной жесткости При расчете подогревателей, когда в качестве теплоносителя применяется насыщенный водяной пар, используется в процессе передачи тепла только тепло конденсации пара и конденсат греющего пара отводится при температуре конденсации. Использование тепла охлаждения конденсата в трубчатых теплообменниках нецелесообразно, вследствие малой скорости движения конденсата в межтрубном пространстве и малого коэффициента теплоотдачи.
Тепловой баланс теплообменника оформляется в виде таблицы теплового баланса, как показано в таблице 1.
Таблица 1 – Тепловой баланс кожухотрубчатого теплообменника 3.2 Основное уравнение теплопередачи Количество тепла, передаваемого от горячего теплоносителя к холодному через разделяющую их стенку, определяется уравнением теплопередачи [2-9] где Q – количество переданного тепла, Дж;
коэффициент теплопередачи, Вт/(м2К);
tср – средняя разность температур горячего и холодного теплоносителя, К;
Тепловой поток в аппарате или тепловая мощность аппарата, определяется по формуле а удельный тепловой поток где q – удельный тепловой поток, Вт/м2.
Коэффициент теплопередачи для плоской поверхности теплопередачи и для цилиндрической поверхности теплопередачи при где ст – толщина стенки, м;
d вн – внутренний диаметр цилиндрической поверхности, м, рассчитывается по формуле где I – коэффициент теплоотдачи для горячего теплоносителя, Вт/(м2 К);
ст – коэффициент теплопроводности материала стенки, Вт/(м К);
r – сумма термических сопротивлений накипи и загрязнений стенки, II – коэффициент теплоотдачи для холодного теплоносителя, Вт/(м2 К).
Из основного уравнения теплопередачи определяется поверхность теплообмена 3.3 Расчет средней разности температур и средних температур теплоносителей Средняя разность температур между теплоносителями определяется по формуле [4-7] где t ср – средняя разность температур, °С;
tб – наибольшая разность температур между теплоносителями, °С;
t м – наименьшая разность температур между теплоносителями, °С.
ние формулы Кроме того, средняя разность температур между теплоносителями определяется по формуле где t I ср – средняя температура первого теплоносителя, °С;
t II ср – средняя температура второго теплоносителя, °С.
Если происходит изменение агрегатного состояния одного из теплоносителей – конденсация пара или кипение раствора, то средняя температура этого теплоносителя равна температуре изменения агрегатного состояния.
Так, в случае конденсации пара в теплообменнике, средняя температура первого (горячего) теплоносителя равна температуре конденсации пара где tконд – температура конденсации пара, °С, тогда средняя температура второго теплоносителя определяется как разность температуры конденсации греющего пара и средней разности температур, то есть 3.4 Расчет коэффициента теплоотдачи от конденсирующегося пара При пленочной конденсации насыщенного пара на плоской или цилиндрической вертикальной поверхности высотой Н при ламинарном течении пленки конденсата коэффициент теплоотдачи определяется по формуле Нуссельта [5, 6] или где I – коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2К);
– коэффициент теплопроводности конденсата, Вт/(мК);
– плотность конденсата, кг/м3;
r– удельная теплота конденсации, Дж/кг;
ускорение свободного падения, g = 9,81 м/с2;
– динамический коэффициент вязкости конденсата, Пас;
tст 1 – температура стенки, °С;
удельный тепловой поток, Вт/м2.
Значения физико-химических констант конденсата выбираются при средней температуре пленки конденсата однако с достаточной для технических расчетов точностью значения физикохимических констант конденсата можно принимать при температуре конденсации пара.
При конденсации пара на наружной поверхности одиночной горизонтальной трубы диаметром d формула Нуссельта имеет вид [5, 6]:
или В случае конденсации пара на наружной поверхности пучка горизонтальных труб средний коэффициент теплоотдачи рассчитывается по формуле где I – коэффициент теплоотдачи для одиночной горизонтальной трубы, – поправочный коэффициент, зависящий от расположения труб в пучке и от числа труб nв в каждом вертикальном ряду и определяемый по графику, представленному на рисунке 5 [5].
Рисунок 5 – Зависимость коэффициента от числа труб 3.5 Расчет коэффициентов теплоотдачи от стенки к жидкости 3.5.1 Коэффициент теплоотдачи от стенки к жидкости определяется из критериальных уравнений конвективной теплоотдачи.
Коэффициент теплоотдачи входит в критерий Нуссельта [2-7] где Nu – критерий Нуссельта;
II – коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2К);
l – определяющий геометрический размер, м, d э – эквивалентный диаметр, м;
f – площадь сечения потока жидкости, м2;
П – полный смоченный периметр сечения потока, м;
– коэффициент теплопроводности жидкости, Вт/(мК).
При вынужденном движении жидкости (газа) в трубках и каналах конкретный вид критериального уравнения для определения критерия Нуссельта зависит от режима движения жидкости (газа).
Режим движения характеризуется значением критерия Рейнольдса где Re – критерий Рейнольдса;
w – скорость движения жидкости, м/с;
l– определяющий геометрический размер, м;
– динамический коэффициент вязкости жидкости, Пас;
– кинематический коэффициент вязкости жидкости, м2/с.
3.5.2 В случае развитого турбулентного режима движения жидкости в прямых трубах и каналах ( Re > 10000 ) критерий Нуссельта определяется по уравнению [2-7] 1 – поправочный коэффициент, учитывающий влияние на коэффицигде ент теплоотдачи отношения длины труб теплообменника к их Pr – критерий Прандтля, рассчитанный для жидкости при средней c– удельная теплоемкость жидкости, Дж/ (кгК);
– динамический коэффициент вязкости жидкости, Пас;
– коэффициент теплопроводности жидкости, Вт/(мК);
Prст – критерий Прандтля, рассчитанный для жидкости при температуре стенки.
Значения критерия Прандтля для различных жидкостей при различных температурах t II ср приведены на рисунке 6 [4].
В критериальные уравнения конвективной теплоотдачи входит отноPr шение Pr, учитывающее направление теплового потока. У капельных жидкостей с увеличением температуры величина критерия Прандтля уменьPr < 1. При проектировании теплообменников в расчете конии жидкостей эффициента теплоотдачи для нагревающихся жидкостей допускается приниPr = 1, а для охлаждающихся жидкостей можно принимать среднее мать значение Рисунок 6 – Значения критерия Прандтля для жидкостей Для газов уравнение для расчета критерия Нуссельта упрощается, так = 1, а критерий Прандтля зависит от атомности газов [5]:
как – одноатомные газы – двухатомные газы – трехатомные газы – четырех- и многоатомные газы например, для воздуха критериальное уравнение принимает вид [2-5]:
3.5.3 При ламинарном режиме движения жидкости в прямых трубах и каналах ( Re < 2300 ) критерий Нуссельта можно определить по следующим уравнениям [3,4,7]:
или [2] а также [5] – коэффициент объемного расширения жидкости (газа), К-1.
3.5.4 При теплоотдаче в переходном режиме движения жидкости 2300 < Re < 10000 критерий Нуссельта определяется из графической зависимости. График зависимости приведен на рисунке 7 [5].
или а также по приближенному уравнению 3.6 Определение истинных значений удельного теплового потока, коэффициента теплопередачи, температур стенок и поверхности теплопередачи 3.6.1 Метод построения зависимости удельного теплового потока от температуры стенки Наиболее наглядным методом определения истинных значений удельного теплового потока, коэффициента теплопередачи и температур стенок является графический метод построения нагрузочной характеристики проектируемого аппарата.
С этой целью задаются рядом значений температуры стенки со стороны горячего теплоносителя tст 1 в интервале от tст 1'1 = (t конд 0,5) до tст 1'п, Затем для каждого значения температуры стенки по формулам (10-13) рассчитывают значения коэффициента теплоотдачи для конденсирующегося пара I и удельного теплового потока из уравнения теплоотдачи по формуле По полученному значению удельного теплового потока qI, из уравнения теплопроводности определяют соответствующий ряд значений температуры стенки со стороны нагреваемой жидкости для чистых труб а для загрязненных труб по формуле где – коэффициент теплопроводности материала трубок, Вт/мК;
н – коэффициент теплопроводности накипи, Вт/мК;
rзагр термическое сопротивление загрязнения, м2К/Вт.
Для каждой температуры tст 2 с учетом режима движения жидкости по критериальным уравнениям рассчитывают коэффициент теплоотдачи для жидкости II по формулам (15,18,20-26) и удельный тепловой поток q II По результатам расчета строится график зависимости удельных тепловых потоков qI и q II от температуры стенки tст 1, как показано на рисунке 8.
Рисунок 8 – Зависимость удельного теплового потока Точка пересечения кривых q I = f (t ст 1 ) и qII = (tст 1 ) дает истинное значение удельного теплового потока qист и истинное значение температуры стенки tст 1, по которым из равенства можно определить истинные значения коэффициентов теплоотдачи и температуры стенки 3.6.2 Метод графического решения зависимости коэффициента теплопередачи от удельного теплового потока Для вертикального кожухотрубчатого теплообменника, применяя формулы для расчета коэффициентов теплоотдачи I I (11) и II (15,18,21в зависимости от режима движения теплоносителя в трубном пространстве, выражают коэффициент теплопередачи k, подставляя его в формулу удельного теплового потока (4) и получают уравнение (q ) = 0, решая которое графически, находят истинное значение удельного теплового потока, показанного на рисунке 9.
Так, выражение для коэффициента теплопередачи в вертикальном кожухотрубчатом теплообменнике запишется в виде:
– для турбулентного режима движения теплоносителя:
а уравнение (q ) = 0 в виде – для переходного режима:
– для ламинарного режима:
Аналогично, применяя формулы (13,15,18,21-23,25,26), получают выражения для коэффициента теплопередачи и уравнения (q ) = 0 для горизонтального кожухотрубчатого теплообменника:
– для турбулентного режима:
– для переходного режима:
– для ламинарного режима:
3.6.3 Расчет истинного значения коэффициента теплопередачи и поверхности теплообмена По найденному истинному значению удельного теплового потока qист рассчитывают истинное значение коэффициента теплопередачи и поверхность теплообмена 3.7 Расчет истинных значений удельного теплового потока, коэффициентов теплоотдачи и теплопередачи, температуры стенок на ПК Целью расчета является получение точных значений удельной тепловой нагрузки, коэффициентов теплоотдачи, теплопередачи и температуры стенок при заданной скорости движения раствора, а также исследование влияния скорости движения раствора на значение удельного теплового потока, коэффициентов теплоотдачи, теплопередачи для конкретного случая нагревания раствора «глухим» насыщенным паром в теплообменнике.
3.7.1 В программе приняты следующие обозначения:
– коэффициент теплоотдачи от греющего пара к стенке, I ;
– коэффициент теплоотдачи от стенки к раствору, II ;
Z – коэффициент теплопередачи, k;
G1, G2 – удельный тепловой поток q I, q II ;
Т1 – температура стенки со стороны греющего пара, t cm1 ;
Т2 – температура стенки со стороны раствора, t cm2 ;
Т3 – температура конденсации пара, t канд ;
Т4 – средняя температура раствора, t II cр ;
L1 – коэффициент теплопроводности конденсата греющего пара, к;
М1 – динамический коэффициент вязкости конденсата, к ;
R – удельная теплота конденсации греющего пара, r;
С2 – удельная теплоемкость раствора, с;
L2 – коэффициент теплопроводности раствора, р ;
М2 – динамический коэффициент вязкости раствора, р ;
L3 – коэффициент теплопроводности материала трубок, ст ;
L4 – коэффициент теплопроводности накипи, н ;
– термическое сопротивление загрязнений стенок трубок, м2К/Вт W2 – скорость движения раствора в трубках, w;
R2 – критерий Рейнольдса, Re.
Программа составлена для расчета теплообменников горизонтального типа.
Исходные данные, представленные в системе СИ, должны быть подготовлены на бланке, как показано в приложении А.
Для заполнения бланка необходимо из справочной литературы правильно выбрать физико-химические константы для конденсата греющего пара при рабочем давлении греющего пара и нагреваемого раствора.
3.7.2 Инструкция оператора Зайти на диск М:\Dosapp\UPPROG\MAXP\PAХТ\ТЕРLО Lab_07.exe, cкопировать на диск D: файл Lab_07.exe, начать расчет.
3.7.3 Контрольный пример 3.7.3.1 Задание Определить значения удельного теплового потока, коэффициентов теплоотдачи и теплопередачи, температуры стенок в горизонтальном трубчатом теплообменнике для нагревания раствора гидроксида натрия концентрацией 20 % «глухим» насыщенным водяным паром при заданной скорости движения раствора в трубах теплообменника при следующих условиях:
давление греющего пара – 0,202 МПа;
температура конденсации пара – 120 °С;
начальная температура раствора NaOH – 20 °С;
конечная температура раствора NaOH – 80 °С;
диаметр трубок – 383 мм;
материал трубок – Ст3, учесть наличие слоя накипи толщиной 0,5 мм загрязнение поверхности трубок – rзаг = 0,0002 м2К/Вт.
Для исследования влияния скорости движения раствора в трубках на процесс теплопередачи выбирать предельное значение скорости 3 м/с.
3.7.3.2 Определение среднего температурного напора Поскольку 3.7.3.3 Определение средней температуры нагреваемого раствора 3.7.3.4 Выбор физико-химических констант произвести для конденсата греющего пара при 120 °С, для нагреваемого раствора NaOH при 54,52 °С.
Исходные данные для расчета:
L1 – коэффициент теплопроводности конденсации греющего пара, L2 – коэффициент теплопроводности раствора NaOH, р = 0,557 Вт/(м2К);
L3 – коэффициент теплопроводности стали, ст = 46,5 Вт/(м2К);
L4 – коэффициент теплопроводности накипи, н = 2,0 Вт/(м2К);
М1 – динамический коэффициент вязкости конденсата, к = 0,000231 Пас;
М2 – динамический коэффициент вязкости раствора NaOH, р = 0, Н – высота трубок, м В3 – толщина стенки трубок, ст = 0,003 м;
В4 – толщина слоя накипи, н = 0,0005 м;
R – удельная теплота конденсации греющего пара, r = 2208000 Дж/кг;
О – термическое сопротивление загрязнений стенок трубок, r загр = 0,0002 м2К/Вт;
Р1 – плотность конденсата, к = 943 кг/м3;
Р2 – плотность раствора NaOH, р = 1198 кг/м3;
Т3 – температура конденсации пара, t конд = 120 °С;
Т4 – средняя температура раствора NaOH, t II cр = 54,52 °С;
D – наружный диаметр трубок, d = 0,038 м;
С2 – удельная теплоемкость раствора NaOH, с = 3684 Дж/(кгК);
W2 – скорость движения раствора NaOH в трубках, w = 1,5 м/с.
3.7.3.5 Результаты расчета удельного теплового потока, коэффициентов теплоотдачи и теплопередачи, температуры стенок при заданной скорости движения раствора NaOH приведены в приложении Б.
4 Конструктивный расчет теплообменника 4.1 Цель конструктивного расчета теплообменника Целью конструктивного расчета является определение основных размеров аппарата. Задача состоит в определении числа труб, схемы их размещения, диаметра аппарата, числа ходов в трубном и межтрубном пространствах и размеров патрубков.
4.2 Определение числа труб и числа ходов в трубном пространстве Определение числа труб производится на основании рассчитанной в подразделе 3.6.3 поверхности теплообмена F :
где d p – расчетный диаметр трубы, м;
Число труб одного хода в трубном пространстве определяется из объемного расхода теплоносителя и его скорости движения – скорость движения теплоносителя, м/с.
При конструировании теплообменника чаще всего применяют трубы диаметром 252; 383 мм, в случае загрязненных жидкостей и газов – 543;
573,5; 763,5 мм, длиной 1000, 1500, 2000, 4000, 6000, 9000 мм.
В качестве расчетного диаметра d p выбираются трубы с той стороны, где коэффициент теплоотдачи меньше. В случае равенства или близких значений коэффициентов теплоотдачи за расчетный диаметр принимают средний диаметр трубы Скорость движения теплоносителя либо выбирается из рекомендаций, либо рассчитывается из принятого в тепловом расчете значения критерия Рейнольдса Рекомендуемые скорости теплоносителя [5,8]:
Число ходов zтр в трубном пространстве находят по формуле Рекомендуется принимать [6] число ходов равным 1, 2, 3, 4, 6, 16.
4.3 Внутренний диаметр корпуса Внутренний диаметр корпуса зависит от диаметра, шага, числа труб и схемы размещения в трубном пучке.
Чаще всего в промышленности применяют схему размещения трубок по вершинам правильного треугольника, обеспечивающую максимальную компактность, надежность крепления трубок, удобство разметки трубных решеток и монтажа трубного пучка.
При таком размещении трубок справедливы следующие соотношения [6]:
n – общее количество труб в теплообменнике;
где a – количество труб на стороне наибольшего шестиугольника;
b – количество труб на диагонали наибольшего шестиугольника.
Общее число труб в трубной плите и их размещение по шестиугольникам приведены в таблице 2.
Расстояние между осями труб – шаг зависит от наружного диаметра Диаметр корпуса D0 одноходового теплообменника рассчитывается по формуле а многоходового – по формуле где = 0,6 0,8 – коэффициент заполнения трубной решетки.
Далее D0 округляется до ближайшего стандартного значения размера.
Таблица 2 – Число труб, размещенных в трубной плите по шестиугольникам шести- труб на число труб угольни- диаготруб сегмента сегмента сегмента сегмента сегментах 4.4 Диаметры патрубков Диаметр патрубка зависит от объемного расхода и скорости движения теплоносителя и определяется из уравнения расхода V – объемный расход теплоносителя, м3/с;
где W – скорость движения теплоносителя, м/с;
d – внутренний диаметр патрубка, м, Объемный расход рассчитывается из производительности аппарата m – массовый расход теплоносителя, кг/с;
где – плотность теплоносителя, кг/м3.
Рекомендуется принимать скорость движения жидкости в патрубках при движении самотеком от 0,1 до 0,5 м/с, при движении в напорных трубопроводах – от 0,5 до 2,5 м/с, скорость насыщенного пара – от 10 до 20 м/с.
Диаметры патрубков рассчитывают для холодного теплоносителя, для подачи пара и удаления конденсата пара. При этом объемный расход пара определяется по формуле а объемный расход конденсата по формуле где пара – плотность пара, кг/м3;
конд – плотность конденсата пара, кг/м3.
По результатам конструктивного расчета вычерчивается эскиз теплообменника.
5 Гидравлический расчет теплообменника Целью гидравлического расчета парового теплообменника является определение гидравлического сопротивления при движении жидкости по трубному пространству и мощности, необходимой для перемещения теплоносителя.
Гидравлическое сопротивление для трубного пространства теплообменного аппарата определяется по формуле где P – потеря давления на трение и преодоление местных сопротивлений, Па;
– коэффициент трения;
zтр – число ходов по трубному пространству;
d вн – внутренний диаметр трубок, м;
– сумма коэффициентов местных сопротивлений;
– плотность теплоносителя, кг/м3;
W – скорость движения теплоносителя в трубках, м/с.
Значения коэффициента трения определяются по таблице XII и рисункам 1.5, 1.6 [4] или рассчитываются для стальных гидравлически шероховатых труб по формуле [4] где = – относительная шероховатость труб;
e – средняя высота выступа (бугорков) на стенках трубы, равная для стальных цельнотянутых и сварных труб при незначительной коррозии – 0,2 мм.
Для коэффициентов местных сопротивлений в кожухотрубчатых теплообменниках рекомендуется принимать следующие значения [4]:
поворот на 180 °С между ходами – 2,5;
Мощность, потребляемая двигателем насоса, рассчитывается по формуле где N – мощность насоса, Вт;
V – объемный расход теплоносителя, м3/с;
P – полная потеря напора, Па;
– общий к.п.д насосной установки, равный 0,7 – 0,8.
1 Михеев М.А. Основы теплопередачи/ М.А. Михеев, И.М Михеев.– М.: Энергия, 1973.– 320 с.
2 Юдаев Б.Н. Теплопередача/ Б.Н. Юдаев.– М.: Высшая школа, 1973.– 360 с.
3 Флореа О. Расчеты по процессам и аппаратам химической технологии/ О.Флореа, О. Смигальский.– М.: Химия, 1971.– 444 с.
4 Романков П.Г. Методы расчета процессов и аппаратов химической технологии (примеры и задачи)/ П.Г. Романков, В.Ф. Фролов, О.М. Фисюк.– — СПб.: Химиздат, 2009.— 544 с. : ил.
5 Машины и аппараты химических производств / И.И. Чернобыльский и др..– М.: Машиностроение, 1975.– 456 с.
6 Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии: учебник для вузов / А.Г. Касаткин.– 15-е изд., стер. — М.: Альянс, 2009.– 750 с.
7 Бакластов А.М. Проектирование, монтаж и эксплуатация теплоиспользующих установок/ А.М. Бакластов.– М.: Энергия, 1970.– 568 с.
8 Гельперин Н.И. Основные процессы и аппараты химической технологии. Книга 1/ Н.И. Гельперин.– М.: Химия, 1981.– 812 с.
9 Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии:
учебник для вузов: в 2 кн. / Ю.И. Дытнерский.– М.: Химия,
«