Основное уравнение теплопередачи
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 расчетно-практических 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................................................................................................. 4
Цель расчета........................................................................................ 7
2 Состав и объем расчета...................................................................... 7
3 Тепловой расчет аппарата.................................................................. 8
3.1 Тепловая нагрузка аппарата....................................................... 8
3.2 Основные уравнения теплопередачи........................................... 9
3.3 Расчет средней разности температур и средних температур
теплоносителей............................................................................. 10
3.4 Расчет коэффициента теплоотдачи от конденсирующегося пара
к стенке.......................................................................................... 11
3.5 Расчет коэффициента теплоотдачи от стенки к жидкости………..13
3.6 Определение истинных значений удельного теплового потока,
коэффициента теплопередачи, температур стенок, поверхности
теплопередачи.............................................................................. 17
3.7 Расчет истинных значений удельного теплового потока,
коэффициентов теплоотдачи и теплопередачи, температуры
стенок на ПК................................................................................. 23
4 Конструктивный расчет теплообменника.......................................... 25
4.1 Цель конструктивного расчета теплообменника........................ 25
4.2 Определение числа труб и числа ходов в трубном пространстве 26
4.3 Внутренний диаметр корпуса...................................................... 27
4.4 Диаметр патрубков...................................................................... 28
5 Гидравлический расчет теплообменника........................................... 29
Литература.......................................................................................... 31
Приложение А (рекомендуемое). Исходные данные контрольного
примера по расчету теплообменника............................... 32
Приложение Б (рекомендуемое). Результаты расчета......................... 33
Приложение В (обязательное). Задания на расчет кожухотрубчатого
теплообменника................................................................. 34
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.
Для компенсации разности тепловых удлинений при значительной разности температур стенок и корпуса в теплообменниках устанавливают компенсационные устройства: линзовые, сальниковые, сильфонные, мембранные, выполняют теплообменники с плавающей головкой, с U-образными трубками, трубками Фильда. Наиболее простым компенсатором тепловых удлинений является линзовый компенсатор, устанавливаемый на корпусе теплообменника и позволяющий греющим трубкам удлиняться в определенных пределах без остаточных деформаций, как показано на рисунке 3. Теплообменники с линзовыми компенсаторами применимы при сравнительно низком давлении (до 1 МПа) в межтрубном пространстве.
Более сложным по конструкции, но с практически неограниченной компенсацией тепловых удлинений 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
Рисунок 4 – Кожухотрубчатый
теплообменник с плавающей
головкой
Расчету кожухотрубчатого парожидкостного теплообменника посвящена данная работа.
Цель расчета
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.
Состав и объем расчета
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:
- титульный лист;
- задание;
- содержание;
- введение;
- эскиз аппарата;
- тепловой расчет;
- конструктивный расчет;
- гидравлический расчет;
- заключение;
- литература.
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.
Тепловой расчет аппарата
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
, (1)
где Q¢ – тепловая мощность, Вт;
– количество тепла, Дж;
– время, с;
– расход пара, кг/с;
– энтальпия насыщенного пара, Дж/кг,
;
– энтальпия конденсата, Дж/кг;
– удельная теплота парообразования или конденсации, Дж/кг;
– коэффициент полезного использования тепла в аппарате;
– массовый расход жидкости второго теплоносителя, кг/с;
– удельная теплоемкость жидкости, Дж/(кг×К);
– конечная температура жидкости, К;
– 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
| Приход | Расход | ||||
| Статьи прихода | Вт | % | Статьи расхода | Вт | % |
1 Тепло греющего пара 
| 1 Тепло конденсата греющего пара 
| ||||
2 Тепло поступающей жидкости 
| 2 Тепло нагретой жидкости 
| ||||
3 Тепловые потери в окружающую среду
| |||||
| Итого | Итого |
Основное уравнение теплопередачи
Количество тепла, передаваемого от горячего теплоносителя к холодному через разделяющую их стенку, определяется уравнением теплопередачи [2-9]
, (2)
где – количество переданного тепла, Дж;
– коэффициент теплопередачи, Вт/(м2×К);
– поверхность теплопередачи, м2;
– средняя разность температур горячего и холодного теплоносителя, К;
– время, с.
Тепловой поток в аппарате или тепловая мощность аппарата, определяется по формуле
, (3)
а удельный тепловой поток
, (4)
где 
– удельный тепловой поток, Вт/м2.
Коэффициент теплопередачи для плоской поверхности теплопередачи и для цилиндрической поверхности теплопередачи при
,
где 
– толщина стенки, м;
– внутренний диаметр цилиндрической поверхности, м, рассчитывается по формуле
, (5)
где 
– коэффициент теплоотдачи для горячего теплоносителя, Вт/(м2 К);
– коэффициент теплопроводности материала стенки, Вт/(м К);
– сумма термических сопротивлений накипи и загрязнений стенки, м2×К/Вт;
– коэффициент теплоотдачи для холодного теплоносителя, Вт/(м2 К).
Из основного уравнения теплопередачи определяется поверхность теплообмена
. (6)
3.3 Расчет средней разности температур и средних температур
теплоносителей
Средняя разность температур между теплоносителями определяется по формуле [4-7]
, (7)
где 
– средняя разность температур, °С;
– наибольшая разность температур между теплоносителями, °С;
– наименьшая разность температур между теплоносителями, °С.
В случае, если 
, с достаточной точностью возможно применение формулы
. (8)
Кроме того, средняя разность температур между теплоносителями определяется по формуле
. (9)
где 
– средняя температура первого теплоносителя, °С;
– 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 
– температура конденсации пара, °С,
тогда средняя температура второго теплоносителя определяется как разность температуры конденсации греющего пара и средней разности температур, то есть
.