Методика расчета теплообменников

Федеральное агентство по образованию

ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет – УПИ»

Кафедраоборудования и автоматизации силикатных производств

 

 

Расчет одноходового горизонтального рекуперативного кожухотрубчатого теплообменника

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

240304 ХХХХХХ 10 ПЗ

Руководитель

ст.преподователь_____________________________________ А.Е.Замураев

 

Студент

гр. См-35021________________________________________ А.Н.Леонтьев

 

Екатеринбург 2008

СОДЕРЖАНИЕ

 

ВВЕДДЕНИЕ …………………………………………………………………………………2

1 МЕТОДИКА РАСЧЕТА ТЕПЛООБМЕННИКОВ……………………………………...11

1.1 Порядок расчета теплообменников……………………………………………….11

1.2 Определение коэффициентов теплоотдачи………………………………………12

1.3 Теплоотдача без изменения агрегатного состояния вещества………………….13

1.4 Теплоотдача при изменении агрегатного состояния вещества…………………15

2 РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА………………………………………….17

2.1 Исходные данные………………………………………………………………….17

2.2 Расчет……………………………………………………………………………….17

ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………………………………..24

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК……………………………………………………..25

ВВЕДЕНИЕ.

Теплообменными аппаратами (теплообменниками) принято называть устройства, предназначенные для передачи тепла от одних тел к другим. В теплообменных аппаратах могут происходить различные тепловые процессы: изменение температуры, испарение, плавление, конденсация, расплавление затвердевание и, наконец, более сложные, комбинированные процессы. Количество тел, участвующих в этих процессах может быть больше 2х, а именно: тепло может передаваться от одного тела к нескольким другим телам или, наоборот, от нескольких тел к одному. Эти тела, отдающие или воспринимающие тепло, принято называть теплоносителями.

Классификация теплообменных аппаратов. Теплообменные аппараты имеют большое распространение во всех отраслях промышленности и широко применяются в теплосиловых установках. В зависимости от назначения теплообменные аппараты называются: подогревателями, конденсаторами, испарителями, паропреобразователями и т.д.

По принципу действия теплообменные аппараты делятся на поверхностные и смесительные.

В поверхностных аппаратах теплоносители разделены твердыми теплопроводными стенками, через которые происходит обмен между теплоносителями. Та часть стенок, через которую передается тепло называется поверхностью нагрева (поверхностью теплообмена).

Если теплообмен между теплоносителями происходит через разделительные стенки, то теплообменник называют рекуперативным.

В аппаратах этого типа в каждой точке разделительной стенки тепловой поток сохраняет постоянное направление.

Если же два и больше теплоносителей попеременно соприкасаются с одной и той же поверхностью теплообмена, то теплообменный аппарат называют регенеративным.

В период соприкосновения с одним из теплоносителей стенки аппарата получают тепло и аккумулируют его; в следующий период соприкосновения другого теплоносителя с той же поверхностью стенок аккумулированное тепло передаётся теплоносителю. Направление теплового потока Во втором периоде изменяется на противоположное.

В большинстве рекуперативных аппаратов осуществляется непрерывная передача тепла через стенку от одного теплоносителя к другому. Эти аппараты, как правило, являются аппаратами непрерывного действия. Рекуперативные аппараты, в которых производится периодический нагрев или охлаждение одного из теплоносителей относят к аппаратам периодического действия.

Регенеративные теплообменники в большинстве случаев являются аппаратами периодического действия; в них разные теплоносители поступают в разные периоды времени. Непрерывная работа совершается в таких аппаратах лишь в том случае, если они снабжены движущимися стенками или насадками, попеременно соприкасающимися с потоками разных теплоносителей и непрерывно переносящими тепло из одного потока в другой.

В смесительных теплообменных аппаратах тепло- и массообмен осуществляется путем непосредственного контакта и смешения жидких и газообразных теплоносителей.

В зависимости от назначения производственных процессов в качестве теплоносителей могут применяться самые различные газообразные, жидкие и твердые тела.

Водяной пар, как греющий теплоноситель получил в теплообменных аппаратах большое распространение благодаря ряду его достоинств. Его можно транспортировать трубопроводом на значительные расстояния (до нескольких сотен метров). Интенсивная теплоотдача от конденсирующегося водяного пара способствует уменьшению поверхности теплообмена. Конденсация водяного пара сопровождается большим умень

шением его энтальпии; благодаря этому для передачи сравнительно больших количеств тепла требуются небольшие весовые количества пара. Постоянство температу-

ры конденсации при заданном давлении облегчает поддержание постоянства режима и регулирование процесса в аппаратах.

Основным недостатком водяного пара является неизбежное и значительное повышение давления с ростом температуры. Например, при давлении 0,981*10⁵ Па (1кгс/см²) температура насыщенного пара составляет 99,1⁰С, а температура насыщенного пара 309,5⁰С может быть получена только при давлении 98,1*10⁵ Па (100 кгс/см²). Поэтому паровой обогрев осуществляется для процессов нагревания только до умеренных температур (порядка 60 – 150⁰С). Обычно давление греющего пара в теплообменниках составляет от 1,96*10⁵ до 11,8*10⁵ Па. Для высоких температур эти теплообменники очень громоздки (имеют толстые стенки и фланцы) весьма дороги и поэтому применяются редко.

Горячая вода как греющий теплоноситель получила широкое распространение, особенно в отопительных и вентиляционных установках. Она приготовляется в специальных водогрейных котлах, производственных технологических агрегатах (например в печах) или водонагревательных установках ТЭЦ. Горячую воду, как теплоноситель, можно транспортировать по трубопроводам на значительные расстояния (на несколько километров). Понижение температуры воды в хорошо изолированных трубопроводах составляет не более 1⁰С на 1км.

Достоинством воды как теплоносителя является сравнительно высокий коэффициент теплообмена, однако горячая вода из тепловых сетей в производственных теплообменниках используется редко, так как в течение отопительного сезона температура её непостоянна и изменяется от 70 до 130⁰С, а в летнее время тепловые сети не работают.

Дымовые и топочные газы применяются в качестве греющего теплоносителя, как правило, на месте их получения для непосредственного обогревания различных промышленных изделий и материалов, если качество последних несущественно изменяется при загрязнении сажей и золой. Если же загрязнение обрабатываемого материала недопустимо, то подогрев его дымовыми газами ведется посредством воздуха, который играет роль промежуточного теплоносителя, т.е. дымовые газы через теплопроводную

стенку в рекуперативных теплообменниках отдают тепло воздуху, воздух – обрабатываемому материалу. Дымовые газы могут применяться в теплообменниках для нагрева, выпарки и термической обработки газообразных, жидких и твердых веществ.

Достоинством дымовых и топочных газов как теплоносителя является возможность достижения высокой температуры при атмосферном давлении, недостатками – громоздкость аппаратуры, обусловленная низкой теплоотдачей от газов к стенке, сложность регулирования рабочего процесса в теплообменном аппарате, пожарная опасность и сравнительно быстрый износ поверхностей теплообмена от золы, а также при чистке аппаратов. Существенным недостатком дымовых газов является также возможность использовать их только непосредственно на месте получения, так как транспортировка их даже на небольшие расстояния требует значительных расходов электроэнергии, громоздких каналов и связана с большими тепловыми потерями.

В настоящее время в промышленности для высокотемпературного обогрева, кроме дымовых газов применяют минеральные масла, органические соединения, расплавленные металлы и соли.

Если высокотемпературные теплоносители использовать при температурах ниже точки кипения, то в заполненном ими объеме теплообменного аппарата, так же как и при дымовых газах, избыточное давление может отсутствовать.

Основными требованиями, предъявляемыми к высокотемпературным теплоносителям являются: высокая температура кипения при атмосферном давлении, высокая интенсивность теплообмена, низкая температура отвердевания, малая активность корродирующего действия на металлы, нетоксичность, невоспламеняемость, взрывобезопасность, термическая стойкость и дешевизна.

Наряду с высокотемпературными теплоносителями имеются низкотемпературные теплоносители и холодильные агенты, которые кипят при температурах ниже 0⁰С

Кожухотрубчатые теплообменники представляют собой аппараты, выполненные из пучков труб, собранных при помощи трубных решеток, и ограниченные кожухами и крышками со штуцерами. Трубное и межтрубное пространства в аппарате разобщены,
а каждое из этих пространств может быть разобщено при помощи перегородок на несколько ходов. Перегородки устанавливаются с целью увеличения скорости, а следовательно, и интенсивности теплообмена теплоносителей. Теплообменники этого типа предназначаются для теплообмена между различными жидкостями, между паром и жидкостями или между жидкостями и газами. Они применяются тогда, когда требуется большая поверхность теплообмена.

Трубки теплообменников изготавливаются прямыми (за исключением теплообменников с U-образными трубками), поэтому они легко доступны для очистки или замены в случае течи.

В большинстве случаев пар (греющий теплоноситель) вводится в межтрубное пространство, а нагреваемая жидкость протекает по трубкам. Конденсат из межтрубного пространства отходит к конденсатоотводчику через штуцер, расположенный в нижней части кожуха. Для компенсации температурных удлинений, возникающих между кожухом и трубками, предусматривается возможность свободного удлинения труб за счет различного рода компенсаторов.

Особенность кожухотрубчатых теплообменников состоит в том, что проходное сечение межтрубного пространства велико по сравнению с проходным сечением трубок и может быть больше последнего в 2,5 – 3 раза. Поэтому при одинаковых расходах теплоносителей (если теплообмен происходит без изменения их агрегатного состояния) часто получаются пониженные скорости теплоносителя и малые значения коэффициентов теплоотдачи на стороне межтрубного пространства, что значительно снижает коэффициент теплоотдачи в аппарате. Для выравнивания проходных сечений

иногда применяют усадку концов трубок при закреплении в трубной решетке.

Рисунок 1 - Типы кожухотрубчатых теплообменников

а) с жестким креплением трубных решеток;

б) с обсаженными трубками

в) с линзовым компенсатором на корпусе

Для уменьшения засорения золой дымовые газы пропускают внутри трубок, а воздух – через межтрубное пространство.

Кожухотрубчатые аппараты могут быть вертикальными и горизонтальными. Вертикальные аппараты имеют большее распространение, т.к. они занимают меньше места и более удобно располагаются в

рабочем помещении. Для удобства монтажа и эксплуатации максимальную длину трубок в них следует брать не больше 5м.

Во избежание резкого снижения теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенке в корпусе теплообменника должны быть предусмотрены краны для выпуска

воздуха как из нижней части аппарата над поверхностью конденсата, так и из верхней его части.

Рисунок 2 - Типы кожухотрубчатых теплообменников.

д) с подвижной решеткой закрытого типа;

е) с подвижной решеткой открытого типа;

ж) с сальником на штуцере.

Регулирование производительности парожидкостного теплообменника возможно путем изменения давления (дросселированием греющего пара), изменения расхода нагреваемого теплоносителя и изменения (повышения) уровня конденсата в аппарате, т.е. уменьшения активной поверхности теплообмена. В последнем случае для контроля уровня конденсата необходимо иметь на корпусе водоуказательное стекло.

На рисунке 3 изображен теплообменник более сложной конструкции – «труба в трубе».

Секционные теплообменники («труба в трубе»).

Секционные теплообменники при одинаковых расходах жидкости имеют меньшую разницу в скоростях движения теплоносителей в трубах и межтрубном пространстве и повышенные коэффициенты теплоотдачи по сравнению с обычными трубчатыми теплообменниками.

Рисунок 3 - Многопроточный разборный теплообменник «труба в трубе»:

1, 3 - Первая и вторая распределительные камеры; 2 - Решетка теплообменных труб;

4) Решетка кожуховых труб;

5) Опорная обечайка;

6) Кожуховая труба;

7) Теплообменная труба;

8) Прокладка;

9) Задняя камера;

10) Опора

 

Для небольших производительностей целесообразно применение теплообменников «труба в трубе», относящихся также к секционным, но конструктивно упрощенным аппаратам: в наружнюю трубу вставлена труба меньшего диаметра, отсутствуют трубные решетки и фланцы, все элементы аппарата соединены сваркой.

Недостатки секционных теплообменников: во-первых, высокая стоимость одной единицы поверхности нагрева, так как деление её на стенки вызывает увеличение количества наиболее дорогих элементов аппарата – трубных решеток, фланцевых соединений, переходных камер, компенсаторов и т.д. Во-вторых, большая длина пути жидкости по сравнению с одноходовой трубчаткой, что создаёт значительные гидравлические сопротивления и вызывает увеличение расхода электроэнергии на работу насоса.

МЕТОДИКА РАСЧЕТА ТЕПЛООБМЕННИКОВ