Расчет кожухотрубчатого теплообменного аппарата для нагревания органической жидкости насыщенным водяным паром

Министерство  образования и науки 

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Санкт-Петербургский  государственный

инженерно-экономический  университет» 

         Кафедра экономики и менеджмента в нефтегазохимическом комплексе 

                  По дисциплине процессы и аппараты, их конструирование

                                       для химических производств 

             «Расчет кожухотрубчатого теплообменного аппарата  
                      для нагревания органической жидкости  
                            насыщенным водяным паром». 
 

. 

Выполнил(а)ГончароваА.В.__________________________________________

студент(ка) ___3_____ курса ______ специальности  08052/5________

группа _681___________ № зачет. книжки ________

Подпись __________________

Преподаватель   Барабаш В.М..________________________________________

Оценка __________________                         Дата _____________________

Подпись _________________ 
 
 
 
 
 
 
 
 

Санкт-Петербург

2011 г.

 

Содержание: 

1. Введение………………………………………………………………………...4

2 .Теоретическая часть……………………………………………………………5

    2 .1Виды теплообменников……………………………………………………6

3. Расчетная часть………………………………………………………………..20

    3.1 Расчет  общих характеристик процесса.…………………………………20

    3.2 Последовательность  проведения расчетов 
при турбулентном режиме течения жидкости в трубном пространстве……..21

    3.3 Ход  выполнения расчетов при ламинарном  режиме течения жидкости в  трубном пространстве…………………………………………………………...25

4. Заключение…………………………………………………………………….29  

6. Список использованных  источников ………………………………………..24 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1.Введение

     Теплообменниками  называются аппараты, в которых происходит теплообмен между рабочими средами  независимо от их технологического или  энергетического назначения (подогреватели, выпарные аппараты, конденсаторы, пастеризаторы, испарители, деаэраторы, экономайзеры и др.).

     Технологическое назначение теплообменников многообразно. Обычно различаются собственно теплообменники, в которых передача тепла является основным процессом, и реакторы, в  которых тепловой процесс играет вспомогательную роль.

     Классификация теплообменников возможна по различным  признакам.

1. По способу  передачи тепла различаются теплообменники  смешения, в которых рабочие среды  непосредственно соприкасаются  или перемешиваются, и поверхностные  теплообменники–рекуператоры, в  которых тепло передаётся через  поверхность нагрева твёрдую  (металлическую) стенку, разделяющую  эти среды.

2. По основному  назначению различаются подогреватели,  испарители, холодильники, конденсаторы.

     В зависимости от вида рабочих сред различаются теплообменники:

а) жидкостно–жидкостные – при теплообмене между двумя  жидкими средами;

б) парожидкостные – при теплообмене между паром  и жидкостью (паровые подогреватели, конденсаторы);

в) газожидкостные – при теплообмене между газом  и жидкостью (холодильники для воздуха) и др.

     По  тепловому режиму различаются теплообменники периодического действия, в которых  наблюдается нестационарный тепловой процесс, и непрерывного действия с  установившимся во времени процессом.

     Многотрубный  кожухотрубчатый теплообменник  представляет собой пучок трубок, помещенных в цилиндрическую камеру (кожух); таким образом, внутренность камеры является межтрубным пространством. Трубки ввальцованы в трубные  решетки, ограничивающие камеру со всех сторон. К трубным решеткам крепятся распределительные коробки с  патрубками для впуска рабочей жидкости, протекающей внутри трубок. Камера снабжена также патрубками для подвода  и отвода второго рабочего тела.

     Трубки  латунные, медные или стальные применяются  диаметром от 10 мм и выше; трубки имеют большие диаметры при вязких или загрязненных жидкостях.

     Для помещения в кожухе большей поверхности  теплообмена и получения большего коэффициента теплоотдачи выгоднее применять трубки меньшего диаметра.

     Трубные решетки могут быть наглухо приварены  или приклёпаны к корпусу, одна из решеток может быть не соединена  с камерой. В этом случае уплотнение достигается резиновым кольцом, зажимающим щель между корпусом и  решеткой.

     Кожух теплообменника обычно стальной, цилиндрический. Иногда для обеспечения свободы  температурного расширения кожуха и  трубок на кожухе устраивают компенсатор. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                       2. Теоретическая часть 

2. 1 Классификация и основные требования к теплообменным аппаратам.

Теплообменные аппараты классифицируют по различным  признакам.  По способу передачи тепла их можно разделить на две  группы: поверхностные и смешения. Теплообменники имеют конструктивные особенности в зависимости от назначения, от направления движения рабочих сред, от компоновки теплообменной  поверхности, градиента температур теплоносителей, материала из которого изготовлен аппарат, от конфигурации теплообменной  поверхности. Требования к промышленным теплообменным аппаратам в зависимости  от конкретных условий применения весьма разнообразны. Основными требованиями являются: обеспечение наиболее высокого коэффициента теплопередачи при  возможно меньшем гидравлическом сопротивлении; компактность и наименьший расход материала; надежность и герметичность в  сочетании с разборностью и доступностью поверхности теплообмена для  механической очистки ев от загрязнений; унификация узлов и деталей; технологичность  механизированного изготовления широких  рядов поверхностей теплообмена  для различного диапазона рабочих  температур, давлений и т.д.

При создании новых, более эффективных теплообменных  аппаратов стремятся: уменьшить  удельные затраты материалов, труда, средств и затрачиваемой при  работе энергии по сравнению с  теми же показателями существующих теплообменников. Удельными затратами для теплообменных  аппаратов называются затраты, отнесенные к тепловой производительности в  заданных условиях.

Интенсивностью процесса или удельной тепловой производительностью теплообменного аппарата называется количество тепла, передаваемого в единицу времени через единицу поверхности теплообмена при заданном тепловом режиме.

Интенсивность процесса теплообмена характеризуется  коэффициентом теплопередачи К. На интенсивность и эффективность  влияют также форма поверхности  теплообмена; эквивалентный диаметр  и компоновка каналов, обеспечивающие оптимальные скорости движения сред; средний температурный напор; наличие  турбулизирующих элементов в  каналах; оребрение и т.д. Кроме  конструктивных методов интенсификации процесса теплообмена существуют режимные методы, связанные с изменением гидродинамических параметров и ре жима течения жидкости у поверхности теплообмена. Режимные методы включают: подвод колебаний к поверхности теплообмена, создание пульсаций потоков, вдувание газа в поток либо отсос рабочей среды через пористую стенку, наложение электрических или магнитных полей на поток, предотвращение загрязнений поверхности теплообмена путем сильной турбулизации потока и т.д.

Типовые конструкции

Процессы  теплообмена осуществляются в теплообменных  аппаратах различных типов и  конструкций.

По способу  передачи тепла теплообменные аппараты делят на поверхностные и смесительные. В поверхностных аппаратах рабочие  среды обмениваются теплом через  стенки из теплопроводного мате риала, а в смесительных аппаратах тепло  передается при непосредственном перемешивании  рабочих сред.

Смесительные  теплообменники проще по конструкции  чем поверхностные: тепло в них  используется полнее. Но они пригодны лишь в тех случаях, когда по технологическим  условиям производства допустимо смешение рабочих сред.

Поверхностные теплообменные аппараты, в свою очередь, делятся на рекуперативные и регенеративные. В рекуперативных аппаратах теплообмен между различными теплоносителями  происходит через разделительные стенки. При этом тепловой поток в каждой точке стенки сохраняет одно и  то же направление. В регенеративных теплообменниках теплоноситель  попеременно соприкасается с  одной и той же поверхностью нагрева. При этом направление теплового  потока в каждой точке стенки периодически меняется. Рассмотрим рекуперативные поверхностные теплообменники непрерывного действия, наиболее распространенные в промышленности.

Основными элементами кожухотрубчатых теплообменников  являются пучки труб, трубные решетки, корпус, крышки, патрубки. В кожухотрубчатом теплообменнике (рисунок 1) одна из обменивающихся теплом сред 1 движется внутри труб (в трубном пространстве), а другая 2– в межтрубном пространстве.

1 - корпус (обечайка); 2 - трубные решетки; 3 - трубы; 4 - крышки; 5 - перегородки в крышках; 6 - перегородки в межтрубном пространстве.

Рисунок 1- Кожухотрубчатые одноходовой а) и многоходовой б) теплообменники.

Среду обычно направляют противотоком друг к другу. При этом нагреваемую  среду направляют снизу вверх, а  среду, отдающую тепло – в противоположном  направлении. Такое направление  движения каждой среды совпадает  с направлением, в котором стремится  двигаться данная среда под влиянием изменения ее плотности при нагревании и охлаждении.

Кроме того, при указанных направлениях движения сред достигается более  равномерное распределение скоростей  и идентичные условия теплообмена  по площади поперечного сечения  аппарата. В противном случае, например, при подаче более холодной (нагреваемой) среды сверху теплообменника, более  нагретая часть жидкости, как более  легкая, может скапливаться в верхней  части аппарата, образуя "застойные" зоны.

Трубы в решетках обычно равномерно размещают  по, периметрам правильных шестиугольников, т.е. по вершинам равносторонних треугольников (рисунок 2а), реже применяют размещение труб по концентрическим окружностям (рисунок 2б). В отдельных случаях, когда необходимо обеспечить удобную очистку наружной поверхности труб, их размещают по периметрам прямоугольников (рисунок 2в). Все указанные способы размещения труб преследуют одну цель обеспечить возможно более компактное размещение необходимой поверхности теплообмена внутри аппарата. В большинстве случаев наибольшая компактность достигается при размещении трубок по периметрам правильных шестиугольников. 

а) по периметрам правильных шестиугольников; б) по концентрическим окружностям; в) по периметрам прямоугольников (коридорное расположение).

Рисунок 2 - Способы размещения труб в теплообменниках.

Трубы закрепляют в решетках чаще всего  развальцовкой (рисунок 3а, б) причем особенно прочное соединение (необходимое в случае работы аппарата при повышенных давлениях) достигается при устройстве в трубных решетках отверстий с кольцевыми канавками, которые заполняются металлом трубы в процессе ее развальцовки (рисунок 3б). Кроме того, используют закрепление труб сваркой (рисунок 3в), если материал трубы не поддается вытяжке и допустимо жесткое соединение труб с трубной решеткой, а также пайкой (рисунок 3г), применяемой для соединения главным образом медных и латунных труб. Изредка используют соединение труб с решеткой посредством сальников (рисунок 3д), допускающих свободное продольное перемещение труб и возможность их быстрой замены. Такое соединение позволяет значительно уменьшить температурную деформацию труб, но является сложным, дорогим и недостаточно надежным.