Расчет, разработка и проектирование теплообменного аппарата

МИНИСТЕРСТВО ОБОРОНЫ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Военная Академия войск РХБ защиты и инженерных войск

КАФЕДРА №11

Огнеметно-зажигательного вооружения, средств аэрозольного противодействия и специальной обработки



















РАСЧЁТНО–ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

по курсовой работе на тему:

«Расчёт, разработка и проектирование теплообменного аппарата»





Выполнил: курсант 3 курса

инженерного факультета 

Поддымин А.В.

Руководитель: доцент

К.Т.Н. Солодов Ю.В.







Кострома 2011 г.




Содержание



1. Введение

2. Тепловой расчёт теплообменника

2.1 Предварительный тепловой расчёт

2.2 Уточнённый тепловой расчёт

2.3 Механический расчёт

2.4 Конструктивный расчёт

2.5 Гидравлический расчёт

2.6 Расчёт теплоизоляции

Вывод

Список использованной литературы

Приложение




1. Введение



Теплообменные аппараты предназначены для проведения теплообменных процессов: нагревания, охлаждения, конденсации испарения. В зависимости от области применения теплообменники имеют соответствующие технологические названия:

При нагревании – подогреватели; при охлаждении – холодильники;

при конденсации – конденсаторы; при испарении – испарители.

В промышленности главным образом применяются рекуперативные, или поверхностные теплообменники, в которых тепло от одного носителя к другому передается через разделяющую их стенку.

Наибольшее распространение в химической промышленности получили кожухотрубчатые теплообменники. Из общего количества применяемой теплообменной аппаратуры на долю кожухотрубчатых теплообменников приходится более 80%. Государственным стандартом 9929-61 предусмотрен выпуск четырёх типов кожухотрубчатых теплообменников: ТН, ТЛ, ТП и ТУ.

Кожухотрубчатые теплообменники ТН имеют жесткий кожух и неподвижные приварные трубные решётки. Выпускаются промышленностью в вертикальном или горизонтальном исполнении одно-, двух-, четырёх-, шестиходовыми по трубному пространству с перегородками и без перегородок в межтрубном пространстве. Эти аппараты применяются при сравнительно малой разности температур между кожухом ипучком труб (до 30-50оС) втех случаях, когда нет необходимости в механической чистке межтрубного пространства. Рассчитаны на давление 0,6; 1,0; 2,5 и 4 Мн/м2 для рабочих сред с температурой от –30 до 200оС. Могут быть использованы при более высоких температурах (до 400оС) , однако в этом случае допустимое рабочее давление будет ниже. По сравнению с другими типами кожухотрубчатых теплообменников потребление теплообменников типа ТН за последние 10 лет составило более 70%.


2. Тепловой расчёт теплообменника



Тепловой расчёт теплообменника подразделяется на предварительный и уточнённый. Целью предварительного теплового расчёта является ориентировочное вычисление поверхности теплообмена и определение типа аппарата. При выполнении предварительного расчёта задаются величиной коэффициента теплоотдачи. Уточнённый тепловой расчёт проводится с целью проверки правильности принятого коэффициента теплопередачи и уточнение величины поверхности теплообмена.



2.1 Предварительный тепловой расчёт



Выбор схемы движения теплоносителей

Лучшие результаты показывают противоположные движения теплоносителей, так как обеспечивают большую разность температур, что в свою очередь приводит к наиболее благоприятным условиям теплопередачи при минимальной температуре стенок аппарата. Так как обе жидкости чистые, то в трубное пространство направляю теплоноситель с большей температурой.

Определение средней разности температур

Для определения средней разности температур процесса теплообмена (температурного напора) вычисляю разность температур на концах теплообменника.

	tнач,гор=66°C tкон,гор=24°C

tнач,хол=14°C tкон,хол=23°C








	Наибольший перепад температур:

tб=tнач,гор – tкон,хол=66–23=43;

Наименьший перепад температур:

tм=tкон,гор – tнач,хол=24–14=10.

>. Тогда рассчитываем по формуле:







Определение средних температур теплоносителей

Так как разность температур горячего теплоносителя больше разности температур холодного теплоносителя, то средние температуры теплоносителей определяем по формуле:



	;

	tср,гор=tср,хол +tср=22,6+18,5=41,1.

	
Определение физических свойств теплоносителей при средних температурах

Определяю основные физические свойства теплоносителей с использованием математического метода интерполяции.



свойства

единица измерения

бензол при 51,1

вода при 22

плотность, ρ

кг/м3

856,9

998

теплоёмкость, С

Дж/кг·град

1,83·103

4,19·103

теплопроводность, λ

Вт/м·град

0,14

0,599

динам. вязкость, μ

Н·с/м2

0,4864·10-3

1·10-3



Определение тепловой нагрузки

Определяю тепловую нагрузку аппарата по теплоносителю, который имеет меньше тепловых потерь в окружающую среду. Для кожухотрубчатых теплообменников таким теплоносителем будет теплоноситель, направленный в трубное пространство, т. е. горячий.



Qгор=Gгор·Cгор·(tнач,гор–tкон,гор)=20·1,83·103(66–24)=1537200Вт.



Определение расхода холодного теплоносителя

Определяем расход холодного теплоносителя (потребное количество воды) по формуле:



.



Определение поверхности теплообмена

Задаёмся ориентеровачным значением коэффициента теплопередачи. Из приложения 9 [1] от жидкости жидкостям при возбуждённом движении теплоносителя К=300…1700 Вт/м2·град. Принимаю К=1000. Поверхность теплообмена определяю по формуле:







Выбор теплообменника

Выбираю теплообменник по величине поверхности теплообмена. Выписываем из каталога [1] характеристики всех теплообменников, имеющих поверхность теплообмена близкую к рассчитанной в п. 2.1.7.



№п/п

число ходов, z

поверхность,

F [м2]

диаметр

кожуха,

Д [мм]

диаметр

труб,

d [мм]

длина труб,

L [мм]

число труб,

n

шаг,

t [мм]

1

1

71

600

38

5000

121

48

2

2

69

800

38

3000

196

48

3

4

67

800

25

2000

446

32

4

6

69

800

38

4000

146

48



Определение скорости для теплообменников в трубном пространстве

Определяем скорости для каждого теплообменника по формуле:







–скорость в трубном пространстве (W1):

м/с;

м/с;

м/с;

м/с.

Отбираем теплообменники, у которых скорость теплоносителя является приемлемой. Рекомендуемая скорость движения теплоносителя из приложения 7 [1] для жидкости лежит в интервале [0,5;2,5] м/с. В данный интервал попадают скорости движения теплоносителей в трубном пространстве четырёх и шестиходового теплообменников.

Определение скорости для теплообменников в межтрубном пространстве

Определяю для выбранных аппаратов скорости движения теплоносителей в межтрубном пространстве с учётом наличия перегородок. Рекомендуемое количество перегородок в межтрубном пространстве для четырёх и шестиходового теплообменников с диаметром кожуха Д=800 и 800мм и длиной трубок L=2000 и 4000 мм согласно приложению 6 [1] составило 4 и 10 шт. Определяю для выбранных аппаратов скорости в межтрубном пространстве с учётом перегородок (принимая расстояние между ними: h=L/(n+1)). Для 4-х и 6-стиходового теплообменника h будет равно 0,6 и 0,44 по формуле:










Таким образом, по условиям приемлемых скоростей в трубном и межтрубном пространствах выбираю шестиходовой теплообменник с диаметром корпуса Д=800мм.



2.2 Уточнённый тепловой расчёт



Принятие приближённых температур

Задаюсь температурами стенки со стороны горячего и холодного теплоносителей и определяю физические свойства при этих температурах.







tст гор=39; tст хол=25

Определение физических свойств теплоносителей при средних температурах

Определяю основные физические свойства теплоносителей с использованием математического метода интерполяции.



свойства

единица измерения

бензол при 39

вода при 25

плотность, ρ

кг/м3

858

996,5

теплоёмкость, С

Дж/кг·град

1,826·103

4,184·103

теплопроводность, λ

Вт/м·град

0,1403

0,6061

динам. вязкость, μ

Н·с/м2

0,492·10-3

0,9·10-3



Определение коэффициента теплоотдачи трубного пространства

Для этого вычисляем критерии Рейнольдса для теплоносителя протекающего в трубке:



>



Вычисляем критерий Pr по формуле:



.



;

.

Вычисляем критерий Nu по формуле:







, т.к. >



Определяем коэффициент теплоотдачи трубного пространства по формуле:



.



Принимаем dрасч=dвн, полагая, что α1<α2.

 вт/м2град.

Определение коэффициента теплоотдачи межтрубного пространства

Для этого вычисляем критерии Рейнольдса для теплоносителя протекающего в трубке:



, dрасч=d



Межтрубное пространство имеет прегородки, поэтому критерий Нуссельта определяем по формуле для поперечного обтекания шахматного пучка труб:



.



Коэффициент , учитывающий влияние угла атаки , для нашего расчета принимаем равным =0,6 [12, т. 5, стр. 563, п.42]

Вычисляем Pr по формуле: 


.







Вычисляем критерий Nu по формуле:



Определяем коэффициент теплоотдачи трубного пространства по формуле:







Принимаем dрасч=d.

 вт/м2град.

Определение коэффициента теплопередачи

Определяем коэффициент теплдопередачи по формуле:








вт/м2*град.

Принимаем

rзагр1= вт/м2*град (прилож. 10),

rзагр2= вт/м2*град (прилож. 11),

 вт/м2*град (прилож. 12).

Пересчёт средней температуры процесса теплообмена

Поскольку мы выбрали шестиходовой теплообменник, в котором теплоносители имеют смешанный ток движения, то требуется пресчитать среднюю температуру процесса теплообмена



.



Коэффициент  определяем по номограмме [12, т. 5, стр. 548-550] с использованием вспомогательных величин:









По схеме рис. VII-II [12, т. 5, стр. 548]

;

Проверяем правильность принятых температур стенок










Полученные величины отличаются от принятых более чем на 1. Повторяем расчёт, начиная с п. 2.2.1.

=34 =25



Физические свойства теплоносителей

свойства

единица измерения

Бензол при 34

вода при 25

плотность, ρ

кг/м3

868,5

996,5

теплоёмкость, С

Дж/кг·град

1,803·103

4,184·103

теплопроводность, λ

Вт/м·град

0,1415

0,6061

динам. вязкость, μ

Н·с/м2

0,529·10-3

0,9·10-3



Повторное вычисление коэффициента теплопередачи трубного пространства







 вт/м2*град

Повторное вычисление коэффициента теплоотдачи межтрубного пространства





 вт/м2*град

Коэффициент теплопередачи

 вт/м2*град

Проверка правильность принятой (повторно) температуры стенки





Полученные температуры стенки отличаются от принятых менее чем на 1 , поэтому дальнейшего приближения не производим.

Поверхность теплообмена







Расчетная величина поверхности теплообмена больше принятой, поэтому имеется возможность использовать теплообменник большей длины. Обращаемся к каталогу и окончательно выбираем шестиходовой ТН на давление до 0,6 Мн/м 2 №46 с параметрами:



поверхность

теплообмена,

F, м2

диаметр

корпуса

Dм, мм

длина

труб,

l, м

диаметр

труб

d, мм

число

труб,

nтр, шт

88

800

5

38

146




2.3 Механический расчёт



Механический расчет теплообменника сводится к определению основных элементов аппарата (кожуха, крышек, трубных решеток и т.п.) обеспечивающих его прочность, жесткость и безопасную длительную эксплуатацию аппарата.

Толщина стенки корпуса. Принимаем конструкционный материал σдоп=136*106 Н/м2, коэффициент сварного шва φ = 0,8, добавку для компенсации коррозии С = 0,002 м, дополнительную добавку Сдоп=0, давление Р = 4 мПа







Принимаем =20мм

Выбираем эллиптическую конструкцию камер.

Толщина эллиптического днища

у = 2, табл. Стр. 51







Принимаем  =20мм

Производим расчет толщины трубной решётки:







С – добавки для компенсации коррозии (С=0,003)

t- шаг между труб (t=0,048)


2.4 Конструктивный расчёт



Принятие формы

Принимаем эллиптическую форму входной и выходной камеры с высотой борта 40 мм. Ёмкость такого днища 87 л. (прилож. 16), масса – 36кг.

Определение диаметров патрубков

Принимаем скорость теплоносителей в патрубках vпатр=1,5м/с и определяем диаметр патрубков:









Принимаем диаметр патрубков для бензола:

dпатр=150мм,



Принимаем диаметр патрубков для воды:

dпатр=200мм.

Принятие величины вылета штуцера 300мм

Выбор подкладочного материала

Для бензола – асбестовый картон. Для воды – резину.

Определение массы теплообменника

Масса труб: 



.




Масса кожуха: 



.





Масса аппарата в целом:



Произведение расчёта опорных лап

Принимаем вертикальное расположение аппарата и производим расчёт опорных лап.

Объём трубного пространства:







Объём межтрубного пространства:







Масса воды в полностью заполненном аппарате:







Максимальная масса аппарата, заполненного водой:








Принимаем число опорных лап равное двум и определяем нагрузку, приходящуюся на одну опорную лапу:







По таблице (прилож.21) принимаем опорные лапы на нагрузку Р=40000Н.







нагрузка на лапы,

Н·10-3

Опорная площадь,

м2·103

Удельное давление,

Н/м2·10-4

размеры, мм

масса,

кг







с

а

b

H

S

d



40

29,7

135

190

160

170

280

10

30

6,2



Эскизная схема теплообменника








2.5 Гидравлический расчёт

теплообменный аппарат конденсат испарение

Определение гидравлического сопротивления трубного пространства

Производим с целью определения гидравлических сопротивлений при прохождении теплоносителей через теплообменный аппарат. Величину потерь давления используют при выборе насосов.

Гидравлические сопротивления трубного пространства определяем сумму коэффициентов местных сопротивлений по таблице, используя схему теплообменника.



Таблица 6

Характер местных сопротивлений

ζ

Входная или выходная камера

1,5

Вход в трубы или выход из них

1,0

Поворот между ходами на 180˚

2,5

Вход в межтрубное пространство или выход из него

1,5

Поворот через перегородку в межтрубное пространство

1,5

Поперечное движение в межтрубном пространстве





Сумма местных сопротивлений:

	вход в камеру – 2

	вход в трубку – 6

	выход из трубки – 6

	число поворотов – 5

Определяем сумму коэффициентов местных сопротивлений







Гидравлическое сопротивление межтрубного пространства

Принимаем λ1=0,04, тогда, используя формулы гидравлики:







Вычисляем коэффициент сопротивления поперечному движению жидкости в межтрубном пространстве









Сумма местных сопротивлений:

	ходовые перегородки – 10

	вход – 1

	выход – 1

	поворот между ходами – 10

	движений – 11









Мощность потребная для перемещения теплоносителей через теплообменник

Мощность потребная для перемещения теплоносителя через теплообменник определяется по формуле:







Трубное пространство



Межтрубное пространство



—к.п.д. насоса или вентилятора. Для ориентировочных расчетов за к.п.д. условно принимаю =0,6.

Общая потребная мощность определяется по формуле:












2.6 Расчёт теплоизоляции



Потери тепла в окружающую среду определяются по формуле:











суммарный коэффициент теплоотдачи в окружающую среду от поверхности аппарата, котрый определяется по формуле:





Fднища определяем из приложения 16 [1].

Fднища =0,8м2.









Рассчитываем теплоизоляцию и выбираем термоизоляционный материал: асбест пушённый.

Толщину слоя изоляции в условиях свободного движения воздуха при t=20определяем по формуле:



; по таблице 3.6.1 [1] q1=175Вт/м;






Толщина слоя изоляции:






Вывод



В процессе выполнения курсовой работы произвёл расчёты теплообменного аппарата типа ТН, который имеет следующие характеристики:

	поверхность теплообмена: F=121м2;

	внутренний диаметр корпуса: D=800мм;

	число ходов: z=4;

	количество перегородок: nпер=12шт;

	количество труб: nтр=170шт;

	полная масса аппарата: М=7822кг.

В результате выполнения была выбрана конструкция и определены её размеры, рассчитаны параметры опорных лап, определена масса конструкции, а также потребная мощность для перемещения теплоносителя через теплообменник.




Список литературы



1	М.И. Лазарев, Н.Ф. Шатров «Руководство по курсовому проектированию». Часть 1.

2	А.Ф. Карасёв, Ю.В. Хушишкили «Учебное пособие по курсовому проектированию (теплообменные аппараты)».

3	К.Ф.Павлов и др. «Примеры и задачи по курсу ПАХТ». Изд. «Химия», 1964г.

4	А.Н.Плановский и др. «ПАХТ». Изд. «Химия», М., 1968г.

5	О.Флореа, О Смигельский «Расчеты по ПАХТ». Изд. «Химия», М., 1971г.




Приложение