Курсовой проект расчет и проектирование теплообменного аппарата Задание на проектирование

1.2 Типы теплообменников

Теплообменникаминазывают аппараты, предназначенные для передачи тепла от одних веществ кдругим.

В зависимости от способа передачи тепла различают две основные группы теплообменников:
1) поверхностные теплообменники, в которых перенос тепла между обменивающимися теплом средами происходит через разделяющую их поверхность теплообмена – глухую стенку;
2) теплообменники смешения, в которых тепло передается от одной среды к другой при их непосредственном соприкосновении.
Значительно реже применяются в химической промышленности регенеративные теплообменники, в которых нагрев жидких сред происходит за счет их соприкосновения с ранее нагретыми твердыми телами – насадкой, заполняющей аппарат, периодически нагреваемой другим теплоносителем.
Выбор материала диктуется в основном его коррозионной стойкостью и теплопроводностью. Конструкции теплообменников должны отличаться простотой, удобством монтажа и ремонта. В ряде случаев конструкция теплообменника должна обеспечивать возможно меньшее загрязнение поверхности теплообмена и быть легко доступной для осмотра и очистки.
Трубчатые теплообменники
1) Кожухотрубчатые теплообменники. Эти теплообменники относятся к числу наиболее часто применяемых поверхностных теплообменников. На рис. 2, а показан кожухотрубчатый теплообменник жесткой конструкции, который состоит из корпуса, или кожуха /, и приваренных к нему трубных решеток 2. В трубных решетках закреплен пучок труб 3. Ктрубным решеткам крепятся крышки 4.



Рис. 2. Кожухотрубчатые одноходовой(а) и многоходовой(б) теплообменники

В кожухотрубчатом теплообменнике одна из обменивающихся теплом сред движется внутри труб /(в трубном пространстве), а другая // – в межтрубном пространстве. Среды обычно направляют противотоком друг к другу. При этом нагреваемую среду направляют снизу вверх, а среду, отдающую тепло, – противоположном направлении, такое направление движения каждой среды совпадает с направлением, в котором стремится двигаться данная среда под влиянием изменения еёплотности при нагревании или охлаждении. Скорости движения сред и коэффициенты теплоотдачи сравнительно невелики.

В многоходовом теплообменнике (рис. 2, б) с помощью поперечных перегородок 5, установленных в крышках теплообменника, трубы разделены на секции, или ходы. Скорость движения повышается, и увеличивается интенсивность теплообмена.
Теплообменники могут быть вертикальными и горизонтальными. Для уменьшения температурных деформаций используют теплообменники с компенсирующими устройствами: с линзовым компенсатором (рис. 3, а), с плавающей головкой (рис. 3, б), с U – образными трубами (рис. 3, в).

Рис. 3. Кожухотрубчатые теплообменники с компенсирующими устройствами

2) Элементные теплообменники. Используют для повышения скорости движения среды в межтрубном пространстве. Каждый элемент – это простейший кожухотрубчатый теплообменник. По сравнению с многоходовыми кожухотрубчатыми теплообменниками элементные менее компактны и более дороги из-за увеличения числа дорогостоящих элементов аппарата–трубных решеток, фланцевых соединений, компенсаторов.

Рис. 4. Теплообменник типа «труба в трубе»: 1 – внутренние трубы, 2 – наружные трубы, 3 – калач, 4 – патрубок.

3) Двухтрубчатые теплообменники. Теплообменники типа «труба в трубе» (рис. 4) состоят из нескольких последовательно соединенных трубчатых элементов. Один теплоноситель движется по трубам, другой – по кольцевому зазору между внешней 2 и внутренней 1 трубами.

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.
Змеевиковые теплообменники
1) Погружные теплообменники. В ПТ жидкость, пар или газ движутся по спиральному змеевику 1, который погружен в жидкость, находящуюся в корпусе 2 (рис. 5, а). Работают при небольших тепловых нагрузках.
2) Оросительные теплообменники. Представляет собой змеевики 1 из размещенных друг над другом труб, соединенных калачами 2. Сверху змеевики орошаются водой из желоба 3, отработанная вода отводится из поддона 4 (рис. 5, б). Применяют в качестве холодильников и конденсаторов. Работает при небольших тепловых нагрузках.



а б
Рис. 5. Погружной(а) и оросительный(б) теплообменники

Пластинчатые теплообменники

В пластинчатом теплообменнике (рис. 6) поверхность теплообмена образуется гофрированными параллельными пластинами. Жидкости, между которыми происходит теплообмен, движутся в каналах между смежными пластинами, омывая противоположные боковые стороны каждой пластины. Теплообменники легко разбираются и очищаются от загрязнений.


Рис. 6. Схема пластинчатого теплообменника
Оребренные теплообменники

Трубы с поперечными ребрами различной формы используются в аппаратах для нагрева воздуха – калориферах (рис. 7), аппаратах воздушного охлаждения. Использующийся при нагреве водяной пар поступает в коллектор 1 и далее в пучок оребренных труб, конденсат отводится из коллектора 3.

Рис. 7. Пластинчатый калорифер

Спиральные теплообменники

В спиральном теплообменнике (рис. 8, а) поверхность теплообмена образуется двумя металлическими листами 1и 2, свернутыми по спирали. Внутренние концы листов приварены к глухой перегородке 3, аих наружные концы сварены друг с другом. С торцов спирали закрыты установленными на прокладках плоскими крышками 4 и 5. Теплоноситель / поступает через нижний штуцер и удаляется через боковой штуцер в правой крышке теплообменника, а теплоноситель // входит в левый боковой штуцер и ударяется через верхний штуцер. Работают при высоких скоростях сред. Недостатки спиральных теплообменников – сложность изготовления и ремонта.
Блочные и шнековые теплообменники
Для процессов теплообмена, протекающих в химически агрессивных средах, в ряде случаев используют теплообменники из неметаллических материалов. Типичными теплообменными аппаратами из графита являются блочные (рис. 8, б), состоящие из отдельных графитовых оков /, имеющих сквозные вертикальные каналы 2 круглого сечения и перпендикулярные им каналы 3. Теплоноситель / движется по вертикальным каналам, а теплоноситель // – по горизонтальным каналам 3, проходя последовательно все блоки. Горизонтальные каналы различных блоков сообщаются друг с другом через боковые переточные камеры 4. Графитовые блоки уплотняются между собой прокладками из резины и стягиваются торцовыми крышками 5 на болтах.
При тепловой обработке высоковязких жидкостей и сыпучих материалов, обладающих низкой теплопроводностью, теплоотдача может быть интенсифицирована путем непрерывного обновления поверхности материала, соприкасающегося со стенками аппарата. Это достигается при механическом перемешивании и одновременном перемещении материала с помощью шнеков (рис. 8, в). Материал поступает у одного конца корпуса / с рубашкой 2 и перемешивается вращающимися навстречу друг другу шнеками 3 и 4, которые транспортируют его к противоположному, разгрузочному концу корпуса.



а б в
Рис. 8. Спиральный (а), блочный(б), шнековый(в) теплообменники
Расчетная часть
Тепловая схема и основные параметры.
Принимаем индекс «1» для холодного теплоносителя (24% р-ра хлорида кальция), индекс «2» для горячего теплоносителя (диэтиловый эфир).
Тепловая схема процесса:
-19 -16
31 -11
∆t_б= 50°С ∆t_м= -5°С
Средняя разность температур при противотоке теплоносителей:

∆t_ср = (∆t_б-∆t_м) / [2,3·lg(∆t_б/∆t_м)] = (50 – (-5)) / [2,3·lg (50/-5)] = 23,88°С.

Средняя температура раствора хлорида кальция:

t₁ = (t_н1-t_к1) = (-19 – (-16))/2 = -17,50°С.

Средняя температура диэтилового эфира:

t₂ = t₂-∆t_ср = 31,00 – 23,88 = 7,12°С.

Расход теплоты на нагрев раствора хлорида кальция, учитывающий потери в окружающую среду (5%):

Q =G₂·C₂· (t_2н – t_2к)) ·1,05 = 2,5·1705·(31 – (-11)) ·1,05 = 187976,00 Вт

C₂ – удельная теплоемкость диэтилового эфира при 10°С

Массовый расход раствора хлорида кальция:

G₁ = Q / (C₁· (t_1н – t_1к))

G₁ = 187976,00/ (2910·(-19 – (-16))) = 21,53 кг/c

C₁ – удельная теплоемкость раствора хлорида кальция при -15°С, Дж/(кг·К)
Объемный расход раствора хлорида кальция:

V₁ = G₁ / с₁ = 21,53/1224 = 0,018 м³/с

где: с₁ – плотность раствора хлорида кальция при температуре -15°С, кг/м³

Объемный расход диэтилового эфира:

V₂ = G₂ / с₂ = 2,5/710 = 0,0035 м³/с

где: с₂ – плотность диэтилового эфира при температуре 10°С, кг/м³

Для проведения расчетов выберем два вида теплообменных аппарата:
1) Теплообменник типа «труба в трубе» ГОСТ 9930–78
2) Кожухотрубчатый теплообменник ГОСТ 15122–70.
Расчет теплообменника «Труба в трубе».
Скорость раствора хлорида кальция в трубах для обеспечения турбулентного течения должна быть больше минимальной скорости движения. Выбираем теплообменник типа «труба в трубе» изготовленный из труб 57х4 мм (наружная труба) и 38х4 мм (внутренняя труба);
Минимальная скорость движения раствора хлорида кальция:

w₁`= (10000·м₂)/(d₁·с₁) = (10000·75,10·10^-4)/(0,03·1224) = 2,06 м/с.

Число параллельно работающих труб:

n` = V<sub>1</sub> /(0,785·d<sub>1</sub><sup>2</sup>·w<sub>1</sub>`) = 0,018/(0,785·0,03² ·2,06) = 12,11

Принимаем количество параллельно работающих труб 38×4 n = 10

Скорость движения раствора хлорида кальция:

w₁ = V₁/(0,785·d₁²·n) = 0,018/(0,785·0,03²·10) = 2,49 м/с

Критерий Рейнольдса для раствора хлорида кальция:

Re₁ = w₁·d₁·с₁/м₁ = 2,49·0,03·1224/(75,10·10^-4) = 12108,58

Критерий Прандтля для раствора хлорида кальция:

Pr₁ = с₁·м₁/л₁ = 2910·75,51·10^-4/0,518 = 42,42

где: л₁ – коэффициент теплоотдачи раствора хлорида кальция, Вт/(м²·К)

Критерий Нуссельта для раствора хлорида кальция рассчитываем согласно формуле 4.17, стр. 152:

Nu₁=0,021·е_l·Re^0,8·Pr^0,43· (Pr/Pr_ст)^0,25

(отношение (Pr/Pr_ст)^0,25 и коэффициент е_l принимаем равными 1)

Nu₁ = 0,021·Re^0,8·Pr^0,43 = 0,021·12108,58^0,8·42,42^0,43 = 194,33

Коэффициент теплоотдачи для раствора хлорида кальция:

б₁ = Nu₁·л₁ /d₁ = 194,33·0,518/0,03 = 3355,49 Вт/(м²·К)

Скорость движения диэтилового эфира:

w₂ = V₂/(0,785·d₂²·n) = 0,0035/(0,785·0,049²·10) = 0,19 м/с

Критерий Рейнольдса для диэтилового эфира:

Re₂ = w₂·d₂·с₂/м₂ = 0,19·0,049·710/(28,4·10^-5) = 22885,26

Критерий Прандтля для диэтилового эфира:

Pr₂ = с₂·м₂/л₂ = 1705·28,4·10^-5/0,24 = 2,02

где: л₂ – коэффициент теплоотдачи диэтилового эфира, Вт/(м²·К)

Критерий Нуссельта для диэтилового эфира рассчитываем согласно формуле 4.17, стр. 152:

Nu₂=0,021·е_l·Re^0,8·Pr^0,43· (Pr/Pr_ст)^0,25

(отношение (Pr/Pr_ст)^0,25 и коэффициент е_l принимаем равными 1)

Nu₂ = 0,021·Re^0,8·Pr^0,43 = 0,021·22885,26^0,8·2,02^0,43 = 87,29

Коэффициент теплоотдачи для диэтилового эфира:

б₂ = Nu₂·л₂ /d₂ = 87,29·0,24/0,049 = 427,52 Вт/(м²·К)

Термическое сопротивление стенки и загрязнений:

Уr_ст=1/r_загр.1+1/r_загр.2+d_ст./л_ст=1/5800+1/5800+0,0035/46,5 = 4,2·10^-4 (м²·К)/Вт.

Коэффициент теплопередачи:

K=1/(1/б₁+ Уr_ст+1/б₂) = 1/(1/3355,49 + 4,2·10^-4+1/427,52) = 327,11 Вт/(м²·К)

Поверхностная плотность теплового потока:

q = K·∆t_ср= 327,11·23,88 = 7813,38 Вт/м²

Внесение поправок в критерий Прандтля, определение температуры t_ст.1, t_ст.2:

∆t₁₌ q\б₁ = 7813,38/3355,49 = 2,33 ^оС

∆t_ст = q·Уr_ст = 7813,38·4,2·10^-4 = 3,28 ^оС
∆t₂ = q\б₂ = 7813,38/427,52 = 18,28 ^оС

Проверка суммы:

∆t₁+∆t₂+∆t_ст = ∆t_ср

2,33+18,28+3,28 = 23,88

Отсюда:

t_ст.1 = t₁ – ∆t₁ = -17,50 – 2,33 = – 19,83 ^оС

t_ст.2 = t₂ + ∆t₂ = 7,11 + 18,28 = 25,39 ^оС

Изменение температуры раствора хлорида кальция не значительны, приближение с критерием Прандтля примем верным, для диэтилового эфира осуществим проверку:

Критерий Прандтля для диэтилового эфира:
Pr_ст2 = c_t ·м _t /л _t = 2250·22,3·10^-5/0,28 = 1,79

Тогда коэффициенты теплоотдачи:

б₂ = б_2! · (Pr/ Pr_ст1)^0,25 = 427,52·(2,02/1,79)^0,25 = 440,14 Вт/м²·К.

Коэффициент теплопередачи:

K=1/(1/б₁+ Уr_ст+1/б₂) = 1/(1/3355,49+4,2·10^-4+1/440,14) = 334,44 Вт/(м²·К)

Поверхностная плотность теплового потока:

q = K·∆t_ср= 334,44·23,88 = 8552,62 Вт/м²

Расчетная площадь поверхности теплопередачи:

F_p= Q/q = 187967/8552,62 = 21,98 м²

С запасом 10%: Fp= 24,18 м²

Площадь поверхности теплообмена одного элемента длиной L = 1,5 м:

F₁ = П·d_ср·L = 3,14·0,03·1,5 = 0,23 м²

Число элементов в каждой секций:

N= F_p /n·F = 24,18/(10·0,23) = 9,52

Принимаем N=12

Общее число элементов:
n·N = 10·12 = 120 шт.

Общее число элементов чрезвычайно большое, увеличим длину труб теплообменника.

Площадь поверхности теплообмена одного элемента длиной L = 3 м:

F₁ = П·d_ср·L = 3,14·0,049·3 = 0,46 м²

Число элементов в каждой секций:

N= F_p /n·F = 24,18/(10·0,46) = 4,76

Принимаем N=6

Общее число элементов:
n·N = 10·6 = 60 шт.
Принимаем число элементов 60. Выбранный теплообменник имеет длины труб 1,5 и 3 метра. Для сокращения числа элементов и удешевления конструкции примем большую длину труб. Запас составляет 26%.
Масса выбранного аппарата составляет 6500 кг.
Металлоёмкость 103,1 кг/м².
Средняя цена данного аппарата 950 тыс. рублей. из которых сборка данного аппарата 150 тыс. рублей.
Расчет гидравлического сопротивления для раствора хлорида кальция:
23005, используем следующую формулу расчета:

ДP = 0,316·L·с·w²/2·d_э·Re^0.25 = 0,316·3·1224·2,49² /2·0.03·12108,58^0,25= 11,430 кПа

Расчет гидравлического сопротивления для диэтилового эфира:

23005, используем следующую формулу расчета:
ДP = 0,316·L·с·w²/2·d_э·Re^0.25 = 0,316·3·710·0,19² /2·0,049·22885,26^0,25 = 19,49 Па

Расчет кожухотрубчатого теплообменника.

Для обеспечения интенсивного теплообмена попытаемся подобрать аппарат с турбулентным течением теплоносителей для этого критерий Рейнольдса возьмем Re = 10000. Раствор хлорида кальция направляем в трубное пространство, диэтиловый эфир в межтрубное пространство.
Определим скорость и соответствующее количество труб у теплообменника, при использовании внутренних труб диаметром 25×2 мм по ГОСТ 15120–79

w’₁ = 10000·м₁ /(d₁·с₁) = 10000·75,51·10^-4/(0,021·1224) = 2,94 м/с

n’ = V₁/(0,785·d₁²· w’₁) = 0,018/(0,785·0,021²·2,94) = 17,30

Предварительно выбираем одно ходовой теплообменник с внутренним диаметром 325 мм с числом труб равным 56 и диаметром 25×2 мм по ГОСТ 15120–79.

Критерий Рейнольдса для такого теплообменника составляет:

Re₁= 10000·(n’/(n/x)) = 10000·(17,30/(56/2)) = 6177,85

где x – число ходов, равное двум.

Критерий Прандтля для раствора хлорида кальция:

Pr₁ = с₁·м₁/л₁ = 2910·75,51·10^-4/0,518 = 42,42

Критерий Нуссельта для раствора хлорида кальция рассчитываем согласно формуле 4.17, стр. 152:

Nu₁=0,021·е_l·Re₁^0,8·Pr₁^0,43· (Pr/Pr_ст)^0,25

(отношение (Pr/Pr_ст)^0,25 принимаем равным 1,05, с последующей проверкой)

Nu₁ = 0,021·Re₁^0,8·Pr₁^0,43·1,05 = 0,021·6177,85^0,8·42,42^0,43 ·1,05 = 119,11

Коэффициент теплоотдачи для раствора хлорида кальция:

б₁ = Nu₁·л₁ /d₁ = 119,11·0,518/0,021 = 2937,94 Вт/(м²·К)

Критерий Рейнольдса для диэтилового эфира равен:

Re₂= V₂·d₂·с₂/(S_m·м₂) = 0,0035·0,025·710/(1,00·10^-2 ·28,4·10^-5) = 22007,04

где S_m – проходное сечение, м²

Критерий Прандтля для диэтилового эфира равен:

Pr₂ = с₂·м₂/л₂ = 1705·28,4·10^-5/0,24 = 2,02

Критерий Нуссельта для диэтилового эфира рассчитываем согласно формуле 4.30, стр. 156:

Nu₂=0,022·е_ф·Re₂^0,65·Pr₂^0,36· (Pr/Pr_ст)^0,25

(отношение (Pr/Pr_ст)^0,25 принимаем равным 1,05, с последующей проверкой)

Nu₂=0,022·е_ф·Re₂^0,65·Pr₂^0,36· 1,05 = 0,22·1·22007,04^0,65·2,02^0,36·1,05 = 197,70

Коэффициент теплоотдачи для диэтилового эфира:

б₂ = Nu₂·л₂ /d₂ = 197,70·0,24/0,025 = 1897,96 Вт/(м²·К)

Термическое сопротивление стенки и загрязнений:

1/Уr_ст =1/(1/r_загр.1+1/r_загр.2+d_ст./л_ст) = 1/(1/5800+1/5800+0,0021/46,5) = 2564,18 (м²·К)/Вт.

Коэффициент теплопередачи:

K=1/(1/ б₁+ Уr_ст+1/ б₂) = 1/(1/2937,94+1/2564,18+1/1897,96) = 795,39 Вт/(м²·К)

Поверхностная плотность теплового потока:

q = K·∆t_ср= 795,39 ·23,88= 18998,86 Вт/м²

Внесение поправок в критерий Прандтля, определение температуры t_ст.1, t_ст.2:

∆t₁ = q\б₁ = 18998,86/2937,94= 6,47 ^оС

∆t₂ = q\б₂ = 18998,86/1897,96= 10,01 ^оС

Отсюда:

t_ст.1 = t₁ + ∆t₁ = -17,50 + 6,47 = -11,03 ^оС
t_ст.2 = t₂ + ∆t₂ = 7,11 + 10,01 = 17,12 ^оС

Критерий Прандтля для раствора хлорида кальция:

Pr_ст1 = c_t ·м _t /л _t = 2700·70·10^-5/0,5 = 37,8

Проверка принятого приближения:

(Pr/ Pr_ст1)^0,25 = (42,42/37,8)^0,25 = 1,03

Приближение считать верным.

Критерий Прандтля для диэтилового эфира:

Pr_ст2 = c_t ·м _t /л _t = 2250·22,3·10^-5/0,28 = 1,79

Проверка принятого приближения:

(Pr/ Pr_ст2)^0,25 = (2,02/1,79)^0,25 = 1,03

Приближение считать верным.

Расчетная площадь поверхности теплопередачи:

F_p= Q/q = 187976/18998,86 = 9,89 м²

Выбранный нами теплообменник имеет следующие длины труб и соответствующие им поверхности теплообмена:

Длина труб L, м	1,5	2,0	3,0	4,0
Поверхность теплообмена, Fт, м^2	9,5	9,00	13,00	17,5

Выбираем длину труб равную 3 м. Масса выбранного аппарата составляет 690 кг. Запас площади составляет 22%. Металлоёмкость 61,11 кг/м². Средняя цена данного аппарата 450 тыс. рублей.

Расчет гидравлического сопротивления для раствора хлорида кальция:
23005, используем следующую формулу расчета:

ДP = 0,316·L·с·w²/2·d_э·Re^0.25 = 0,316·3·1224·2,93 ² /2·0,021·2790,00^0,25 = 32,80 кПа

Расчет гидравлического сопротивления для диэтилового эфира:

23005, используем следующую формулу расчета:

ДP = 0,316·L·с·w²/2·d_э·Re^0.25 = 0,316·3·740·0,70² /2·0,325·10479,54^0,25 = 50,76 Па