Файл: Курсовая работа тепловой расчет вертикального кожухотрубчатого теплообменника для конденсации насыщенного пара бензола.docx
Добавлен: 11.04.2024
Просмотров: 21
Скачиваний: 0
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Поэтому при одинаковых расходах теплоносителей, имеющих одинаковое агрегатное состояние, коэффициенты теплоотдачи на поверхности межтрубного пространства невысокие, что снижает коэффициент теплопередачи в аппарате. Устройство перегородок в межтрубном пространстве способствует увеличению скорости теплоносителя и повышению коэффициента теплопередачи. На рисунке 1, б изображен теплообменник с поперечными перегородками в межтрубном пространстве и полужесткой мембранной компенсацией тепловых удлинений вследствие некоторой свободы перемещения верхней трубной доски.
В парожидкостных теплообменниках пар проходит обычно в межтрубном пространстве, а жидкость – по трубам. Разность температур стенки корпуса и труб обычно значительна. Для компенсации разности тепловых удлинений между кожухом и трубами устанавливают линзовые (рис. в), сальниковые (рис. з, и) или сильфонные (рис. ж) компенсаторы.
Для устранения напряжений в металле, обусловленных тепловыми удлинениями, изготавливают также однокамерные теплообменники с гнутыми U- и W-образными трубами. Они целесообразны при высоких давлениях теплоносителей, так как изготовление водяных камер и крепление труб в трубных досках в аппаратах высокого давления – операции сложные и дорогие. Однако аппараты с гнутыми трубами не могут получить широкого распространения из-за трудности изготовления труб с разными радиусами гиба, сложности замены труб и неудобства чистки гнутых труб.
Компенсационные устройства сложны в изготовлении (мембранные, сильфонные, с гнутыми трубами) или недостаточно надежны в эксплуатации (линзовые, сальниковые). Более совершенна конструкция теплообменника с жестким креплением одной трубной доски и свободным перемещением второй доски вместе с внутренней крышкой трубной системы (рис. е). Некоторое удорожание аппарата из-за увеличения диаметра корпуса и изготовления дополнительного днища оправдывается простотой и надежностью в эксплуатации. Эти аппараты получили название теплообменников «с плавающей головкой». Теплообменники с поперечным током (рис. к) отличаются повышенным коэффициентом теплоотдачи на наружной поверхности вследствие того, что теплоноситель движется поперек пучка труб. При перекрестном токе снижается разность температур между теплоносителями, однако при достаточном числе трубных секций различие в сравнении с противотоком невелико. В некоторых конструкциях таких теплообменников при протекании газа в межтрубном пространстве и жидкости в трубах для повышения коэффициента теплоотдачи применяют трубы с поперечными ребрами.
Достоинства кожухотрубчатых теплообменников:
1) Возможность получения значительной поверхности теплообмена при сравнительно небольших габаритах и хорошо освоенная технология изготовления;
2) Простота конструкции, технологии изготовления монтажа и ремонта;
3)Бóльшая тепловая мощность аппаратов по сравнению с пластинчатыми;
4)Ремонтопригодность и его экономическая целесообразность замены отдельных частей аппаратов .
Недостатки:
1)Высокий расход металла в производстве, по сравнению со спиральными и пластинчатыми теплообменниками;
2) Достаточно дорогая чистка труб и межтрубного пространства;
3)Теплообменники кожухотрубные на десятки процентов менее экономичны, чем пластинчатые.
Сфера применения кожухотрубчатых теплообменников – нефтяная, химическая, нефтехимическая, газовая, теплоэнергетическая отрасли промышленности.
В таблице 1.1 приведена стандартная серия кожухотрубных теплообменников.
Таблица 1.1
Стандартная серия кожухотрубных теплообменников
Таблица 1.2-Линия - индивидуальные решения
1.2. Тепловой баланс. Тепловые процессы в теплообменнике
В расчётах теплоотдачи используют закон Ньютона – Рихмана. Этот закон представляет из себя зависимость для определения теплового потока, которым обмениваются твёрдая стенка и текучая среда (жидкость или газ). Тепловой поток - это количество теплоты, протекающее через какую либо поверхность в единицу времени. В соответствии с этим определением тепловой поток измеряется в единицах мощности – в Вт.
Итак, тепловой поток пропорционален элементарной площади поверхности соприкосновения жидкости и твёрдой стенки dF и разности температур твёрдой стенки и жидкости (газа):
В этой зависимости:
и 
- локальная (местная) температура твёрдой поверхности и температура текучей среды (жидкости или газа) соответственно. Разность этих температур называют температурным напором;
- коэффициент пропорциональности, который называют коэффициентом теплоотдачи.
В инженерных расчётах теплообменных аппаратов нередко используют средние интегральные по поверхности величины коэффициентов теплоотдачи и температурного напора и тогда уравнение Ньютона – Рихмана может быть записано не в дифференциальной, а в конечной форме:
Число Нуссельта или безразмерный коэффициент теплоотдачи (Nu)
где:
- характерный геометрический размер твёрдой стенки, определяемый по своей зависимости в каждом рассматриваемом процессе теплоотдачи.
В задачах о теплоотдаче число Нуссельта является искомой величиной, т.к. в него входит необходимый для расчёта теплообменного аппарата коэффициент теплоотдачи.
Безразмерный комплекс (Re)
называют числом Рейнольдса.
В это соотношение входят:
- скорость текучей среды;
и
- коэффициенты кинематической и динамической вязкости жидкости (газа) соответственно.
Число Рейнольдса представляет собой отношение сил инерции, действующих в жидкости (газе), к силам вязкости. Это число достаточно полно характеризует режим течения жидкости.
Безразмерную величину
в которой
– удельная массовая теплоёмкость текучей среды, называют числом Прандтля. Это число состоит только лишь из физических параметров жидкости (газа).
В парожидкостных теплообменниках пар проходит обычно в межтрубном пространстве, а жидкость – по трубам. Разность температур стенки корпуса и труб обычно значительна. Для компенсации разности тепловых удлинений между кожухом и трубами устанавливают линзовые (рис. в), сальниковые (рис. з, и) или сильфонные (рис. ж) компенсаторы.
Для устранения напряжений в металле, обусловленных тепловыми удлинениями, изготавливают также однокамерные теплообменники с гнутыми U- и W-образными трубами. Они целесообразны при высоких давлениях теплоносителей, так как изготовление водяных камер и крепление труб в трубных досках в аппаратах высокого давления – операции сложные и дорогие. Однако аппараты с гнутыми трубами не могут получить широкого распространения из-за трудности изготовления труб с разными радиусами гиба, сложности замены труб и неудобства чистки гнутых труб.
Компенсационные устройства сложны в изготовлении (мембранные, сильфонные, с гнутыми трубами) или недостаточно надежны в эксплуатации (линзовые, сальниковые). Более совершенна конструкция теплообменника с жестким креплением одной трубной доски и свободным перемещением второй доски вместе с внутренней крышкой трубной системы (рис. е). Некоторое удорожание аппарата из-за увеличения диаметра корпуса и изготовления дополнительного днища оправдывается простотой и надежностью в эксплуатации. Эти аппараты получили название теплообменников «с плавающей головкой». Теплообменники с поперечным током (рис. к) отличаются повышенным коэффициентом теплоотдачи на наружной поверхности вследствие того, что теплоноситель движется поперек пучка труб. При перекрестном токе снижается разность температур между теплоносителями, однако при достаточном числе трубных секций различие в сравнении с противотоком невелико. В некоторых конструкциях таких теплообменников при протекании газа в межтрубном пространстве и жидкости в трубах для повышения коэффициента теплоотдачи применяют трубы с поперечными ребрами.
Достоинства кожухотрубчатых теплообменников:
1) Возможность получения значительной поверхности теплообмена при сравнительно небольших габаритах и хорошо освоенная технология изготовления;
2) Простота конструкции, технологии изготовления монтажа и ремонта;
3)Бóльшая тепловая мощность аппаратов по сравнению с пластинчатыми;
4)Ремонтопригодность и его экономическая целесообразность замены отдельных частей аппаратов .
Недостатки:
1)Высокий расход металла в производстве, по сравнению со спиральными и пластинчатыми теплообменниками;
2) Достаточно дорогая чистка труб и межтрубного пространства;
3)Теплообменники кожухотрубные на десятки процентов менее экономичны, чем пластинчатые.
Сфера применения кожухотрубчатых теплообменников – нефтяная, химическая, нефтехимическая, газовая, теплоэнергетическая отрасли промышленности.
В таблице 1.1 приведена стандартная серия кожухотрубных теплообменников.
Таблица 1.1
Стандартная серия кожухотрубных теплообменников
| TDW | ||
| Применение: Идеально подходит для охлаждения машинного масла и масла системы гидравлики в двигателях, коробке передач. Также используется в сфере формовочной техники. | ||
 | Особенности и преимущества: высокая тепловая эффективность; стандартизировано в 21 размерах и различных типах; съемный пучок оребренных труб U-типа, изготовленных из луженой меди и других материалов; 4 прохода охлаждающего потока; низкие эксплуатационные расходы из-за низкого потребления воды; | |
| BCF/CCF | ||
| Применение: Используются для охлаждения или нагрева различных сред жидкостями или паром, а также конденсации. Обычно применяют для охлаждения масла в системах гидравлики и установках для производства пластмасс. | ||
 | Особенности и преимущества: типоразмерный ряд включает в себя 212 размеров и различных типов; незаменяемый пучок труб, доступный из ряда материалов; заменяемые кожухи из чугуна, 1, 2 и 4 ходовое исполнение; быстрый расчет – быстрая доставка. Опции: возможно исполнение U с U-образными трубками; возможно исполнение P-варианта с выдвижными пучками. | |
| SSCF | ||
| Применение: Идеально подходит для фармацевтики, химической и перерабатывающей промышленностей, где необходимо нагревать или охлаждать агрессивные жидкости | ||
 | Особенности и преимущества: конструируются из готовых блоков, являются аналогами BCF линии, но изготовленные из нержавеющей стали 1.4571 (V4A). Возможно стерильное исполнение (FDA конструкция). | |
| CCFA | ||
| Применение: Подходит для охлаждения воздуха и газа, особенно высоких давлений. Следует использовать в качестве промежуточного охладителя или вторичного охладителя. | ||
 | Особенности и преимущества: несъемный трубный пучок, простая одноходовая конструкция; очень высокая прочность; наилучшее соотношение цена / производительность. | |
| Компактная серия UNIVEX (Система Langerer & Reich) | ||
| Применение: Охлаждение масел систем гидравлики и машинных масел, масел гидротрансформатора, смазочно-охлаждающих эмульсий, охлаждающих масел, напорных жидкостей, воды/гликоля. Возможность применения недорогих охлаждающих жидкостей (техническая вода и морская вода). | ||
 | Особенности и преимущества: высокая теплопередача благодаря компактному пучку труб и 4-х ходовому исполнению; съемный пучок труб, изготовленных из CuNi10Fe, бронзовый кожух, устойчивость к коррозии при использовании морской воды; различный выбор вариантов установок; оптимальное соотношение цена / качество. | |
Таблица 1.2-Линия - индивидуальные решения
| CP (TEMA – W тип) | |
| Применение: В основном используется в теплообменниках жидкость-жидкость и для газа. Хорошее соотношение цены и производительности. Применяется для охлаждения масла в гидравлических системах, в моторо-, редукторо- и кораблестроении, например, в качестве промежуточного охладителя или вторичного охладителя для компрессоров или в качестве конденсатора, т.д., а также для охлаждения газов и воды. | |
 | Особенности и преимущества: надежная конструкция, с выдвижными гладкими и ребристыми трубными пучками, хорошая возможность контроля. Высокий тепловой коэффициент полезного действия герметизация перемещаемого трубного листа 2-мя уплотнительными прокладками и смазочными кольцами с одиночными просверленными отверстиями для обнаружения утечек. Возможно стерильное исполнение (FDA конструкция). |
| А-100 (TEMA – W тип) | |
| Применение: Охлаждение и сушка технологических газов или сжатого воздуха. Используется как промежуточный или вторичный охладитель для компрессоров или в трубопроводных системах. | |
 | Особенности и преимущества: съемный пучок труб с плавающей трубной решеткой, одноходовой; большой типоразмерный ряд Опция: Может быть оснащен центрифужным водоотделением. |
| C-100 (TEMA – P тип) | |
| Применение: теплообменники С-100 особенно подходят в качестве промежуточных и вторичных охладителей для обработки различных сред, воздуха или газов. | |
 | Особенности и преимущества: уплотненная плавающая головка, съемный трубный пучок позволяют работать при значительных температурных расширениях между кожухом и трубами; пучок может быть заменен без демонтажа крышки верха; исполнение 1, 2, 4 и 6 ходовое Возможно стерильное исполнение (FDA конструкция). |
| С-200 (TEMA – M тип) | |
| Применение: Охлаждает и нагревает различные среды в различных технологиях. | |
 | Особенности и преимущества: конструкция с неподвижной трубной решеткой, с или без расширительного соединения труб; максимальная теплопередача; исполнение 1, 2, 4 и 6 ходовое Возможно стерильное исполнение (FDA конструкция). |
| C-300 (TEMA – U тип) | |
| Применение: Охлаждает и нагревает различные среды высокого давления. Следует использовать, например, в парогенераторах и конденсаторах со значительной разницей температур сред. | |
 | Особенности и преимущества: U-образные трубы и съемный пучок допускают работу при различных температурных расширениях между кожухом и трубами; исполнение 2, 4 и 6 ходовое Возможно стерильное исполнение (FDA конструкция). |
| С-400 (TEMA – T тип) | |
| Применения: Широко используется в качестве теплообменников в химической промышленности, конденсаторов углеводородного газа и промежуточного или вторичного охладителя воздушных или газовых компрессоров. | |
 | Особенности и преимущества: конструкция на винтах внутри перемещаемого верха с протянутым пучком; пучок может быть изъят из кожуха без извлечения крышки головки; с крупным портом входа у пучка; исполнение 2, 4 и 6 ходовое. |
| C-500 (TEMA – S тип) | |
| Применение: Используются при большой разнице температур среды в химической и нефтеперерабатывающей промышленности. Следует использовать для тепловой обработки жидкостей, а также для охлаждения газов и воздуха и в качестве конденсатора пара. | |
 | Особенности и преимущества: крышка головки с внутренним зажимным кольцом и съемным трубным пучком; исполнение 1, 2, 4 и 6 ходовое; конструкция, позволяющая компенсировать температурные расширения между кожухом и трубами; дополнительное преимущество конструкции: большая поверхность по сравнению с сопоставимыми размерами кожуха других типов. |
| WRA (TEMA – M тип) | |
| Применение: Теплоутилизация отработанного газа двигателей внутреннего сгорания, двигателей на газе, дизеле, тяжелом дизельном топливе. | |
| | Особенности и преимущества: сконструирован как теплообменник отработанного газа с тепловым щитом на входе газа у зафиксированного пучка труб; максимальная температура на входе 600? С; одно- и двухходовое исполнение; съемная крышка позволяет производить чистку со стороны отработанного газа. |
1.2. Тепловой баланс. Тепловые процессы в теплообменнике
В расчётах теплоотдачи используют закон Ньютона – Рихмана. Этот закон представляет из себя зависимость для определения теплового потока, которым обмениваются твёрдая стенка и текучая среда (жидкость или газ). Тепловой поток - это количество теплоты, протекающее через какую либо поверхность в единицу времени. В соответствии с этим определением тепловой поток измеряется в единицах мощности – в Вт.
Итак, тепловой поток пропорционален элементарной площади поверхности соприкосновения жидкости и твёрдой стенки dF и разности температур твёрдой стенки и жидкости (газа):
В этой зависимости:
и - локальная (местная) температура твёрдой поверхности и температура текучей среды (жидкости или газа) соответственно. Разность этих температур называют температурным напором; - коэффициент пропорциональности, который называют коэффициентом теплоотдачи.В инженерных расчётах теплообменных аппаратов нередко используют средние интегральные по поверхности величины коэффициентов теплоотдачи и температурного напора и тогда уравнение Ньютона – Рихмана может быть записано не в дифференциальной, а в конечной форме:
Число Нуссельта или безразмерный коэффициент теплоотдачи (Nu)
где:
- характерный геометрический размер твёрдой стенки, определяемый по своей зависимости в каждом рассматриваемом процессе теплоотдачи.В задачах о теплоотдаче число Нуссельта является искомой величиной, т.к. в него входит необходимый для расчёта теплообменного аппарата коэффициент теплоотдачи.
Безразмерный комплекс (Re)
называют числом Рейнольдса.
В это соотношение входят:
- скорость текучей среды;
и
- коэффициенты кинематической и динамической вязкости жидкости (газа) соответственно.Число Рейнольдса представляет собой отношение сил инерции, действующих в жидкости (газе), к силам вязкости. Это число достаточно полно характеризует режим течения жидкости.
Безразмерную величину
в которой
– удельная массовая теплоёмкость текучей среды, называют числом Прандтля. Это число состоит только лишь из физических параметров жидкости (газа).
