Расчет теплообменного аппарата

Министерство образования  и науки Российской Федерации

Федеральное государственное  бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

Кафедра автоматизации технологических  процессов и производств

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине «Гидроаэромеханика и тепломассообмен»

 

 

 

 

ЗАДАНИЕ

Студент группы АПМ-09-2 Степаненко С.В.

1.Тема работы: Расчёт теплообменного аппарата

2.Исходные данные к  работе: G=4000кг/ч, t_н=67°С

 

ОЦЕНКА ______________

Руководитель работы доцент          _______________        (Иванов П.В.)

                                             (должность)                   (подпись)                          (Ф.И.О)

 

 

 

 

 

Санкт-Петербург

2012

Оглавление.

 

Введение. 5

Постановка задачи. 6

Тепловой, гидравлический и  конструктивный расчет. 7

Заключение. 9

Приложение. 10

Список использованных источников. 12

 

 

Аннотация.

 

В курсовой работе производится тепловой, гидравлический и конструктивный расчет кожухотрубчатого испарителя, предназначенного для испарения воды. По заданным значениям расхода и температуры производится расчет основных параметров аппарата. Полученные значения позволяют сделать конструктивный выбор испарителя.

Работа содержит 12 страниц.

 

The Summary.

 

In the work is made of thermal, hydraulic and constructive calculation of shell and tube evaporatordestined for the evaporation of water. For given values ​​of flow rate and temperature are calculated main parameters of the device. The values ​​obtained allow tomake a meaningful choice of the evaporator.

The work contains 12 pages.

 

Введение.

 

Среди группы кожухотрубчатых теплообменников выделяется такой аппарат, как кожухотрубчатый испаритель. Относительная простота конструкции при высокой производительности дает возможность эффективного использования аппарата в различных сферах промышленности.

Основные элементы – трубные пучки, находящиеся внутри стального кожуха, так называемые трубные сборки. На изготовление теплообменников идут высшие сорта стали, что обеспечивает высокое качество и надежность аппаратов.

В кожухотрубчатых испарителях  в трубном пространстве кипит  жидкость, а в межтрубном пространстве может быть жидкий, газообразный, парообразный, парогазовый или парожидкостной теплоноситель. Согласно ГОСТ 15119 - 79 эти теплообменники могут быть только вертикальными одноходовыми, с трубками диаметром 25X2 мм.

Испарители являются наиболее применяемыми практически во всех отраслях промышленности, что предопределено длительной историей развития и совершенствования данного типа оборудования, простотой и надежностью конструктивных решений, доступностью и технологичностью материалов, применяемых как при изготовлении, так и при ремонте, отработанностью проведения монтажа и пуска в эксплуатацию, легкостью в обслуживании и надежностью в работе.

В кожухотрубчатых теплообменных  аппаратах достигаются достаточно большие соотношения поверхности  теплообмена к объему и массе. Размеры поверхности теплообмена легко можно варьировать в широких пределах, конструкция имеет достаточную прочность и выдерживает нормальные нагрузки при сборке, перевозке и монтаже теплообменника, а также внутренние и внешние напряжения в обычных условиях эксплуатации. Очистка кожухотрубчатых теплообменных аппаратов не вызывает затруднений, а его элементы, наиболее подверженные коррозии, — прокладки и трубы, — легко могут быть заменены. Конструктивные особенности позволяют применять этот тип почти во всех случаях, включая предельно низкие или высокие температуры и давления, большие градиенты температур, при испарении и конденсации, а также при использовании сильно загрязненных и коррозионно-активных теплоносителей. 

Сегодня кожухотрубчатые  испарители широко используются в промышленных и торговых установках, а также системах кондиционирования.

 

Постановка задачи.

 

Рассчитать и выбрать  кожухотрубчатый испаритель для  получения 4000 кг/ч водяного пара с начальной температурой 67°С.

Кипящая при нормальном давлении и температуре t_2н= 67°С  вода имеет следующие физико-химические характеристики:

• плотность ρ₂=958,4 кг/м³,
• динамическая вязкость µ₂=Па·с,
• поверхностное натяжение σ₂= 0,0589 Н/м.
• удельная теплоемкость с₂=4216 Дж/(кг·К),
• теплопроводность λ₂=0,68 Вт/(м·К),
• удельная теплота испарения r₂=2257200 Дж/кг,
• плотность паров при атмосферном давлении ρ_п0=0,581 кг/м³,
• плотность паров над кипящей жидкостью ρ_п =0,598 кг/м³.

 

В качестве теплоносителя  используем насыщенный водяной пар, имеющий при давлении 0,2 МПа и температуре конденсации t₁ =119,6ºС характеристики:

• удельная теплота конденсации r₁ = 2208000 Дж/кг,
• плотность ρ₁=943 кг/м³,
• динамическая вязкость µ₁ =0,000231 Па·с,
• теплопроводность λ₁=0,686 Вт/(м·К).

 

Тепловой, гидравлический и конструктивный расчет.

 

Расчет будем производить  по общей схеме (рис. 2.2) [1].

Определим тепловую нагрузку аппарата:

 

 

Из уравнения теплового баланса найдем расход греющего пара:

 

 

Определим среднюю логарифмическую разность температур, для этого определим большую и меньшую разность на концах испарителя:

 

 

 

 

 

В соответствии с табл.2.1 [1] примем ориентировочное значение коэффициента теплопередачи K_op=1400 Вт/(м²·К), как среднее значение диапазона.

Тогда ориентировочное значение требуемой поверхности составит

 

 

Согласно ГОСТам 15118-76, 15120-79, 15122-79 поверхность, близкую к ориентировочной, могут иметь испарители с высотой труб H=3,0 м и диаметром кожуха D=0,6 м.

Произведем уточненный расчет поверхности теплопередачи.

Зададимся следующими характеристиками: высота труб H=3,0 м, диаметр кожуха D=0,6 м, поверхность теплопередачи F=61 м². Рассчитаем ориентировочное значение удельной тепловой нагрузки:

 

 

Примем толщину труб 2.0 мм, материал - нержавеющая сталь (λ_ст = 17,5 Вт/м·К). Сумма термических сопротивлений стенки и загрязнений в таком случае равна:

 

Коэффициенты теплоотдачи и теплопередачи соответственно равны:

 

 

 

 

 

 

Значение площади поверхности  теплопередачи составит:

 

В выбранном теплообменнике запас поверхности:

 

Рассчитаем удельную тепловую нагрузку:

 

Удельная тепловая нагрузка в рассчитанном испарителе значительно  ниже критической тепловой нагрузки,  которая даже в случае кипения воды в большом объеме составляет:

 

 

В соответствии с расчетами  можно сделать вывод,  что режим  кипения будет пузырьковым.

 

 

Заключение.

 

В курсовой работе был произведён тепловой, гидравлический и конструктивный расчёт кожухотрубчатого испарителя. В испарителе в трубном пространстве кипит вода, а в качестве теплоносителя использован насыщенный водяной пар, находящийся под давлением 0,2МПа. Расход воды 1,1 кг/с, расход водяного пара 1,205 кг/с. Согласно схеме расчета были рассчитаны коэффициенты теплопередачи и теплоотдачи, площадь поверхности теплопередачи аппарата, тепловая нагрузка.  По полученным данным был выбран вертикальный одноходовый испаритель диаметром кожуха 600 мм, с трубками диаметром 25х2мм и длиной 3м, общее число труб – 257, поверхность аппарата 61м², коэффициент запаса поверхности 33%.

 

Приложение.

Рисунок 1.Схема кожухотрубчатого испарителя

 

Рисунок 2. Схема испарителя в разрезе.  

 Список использованных источников.

 

1. Борисов Г.С., Дытнерский Ю.И. Основные процессы и аппараты химической технологии. М.: Химия, 1991.
2. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. М.: Наука, 1972.
3. Кожухотрубчатые испарители [сайт СалаватНефтеМаш]. URL:http://www.snm.ru/products/teploobmennoe_oborudovanie/39
4. Кожухотрубчатые теплообменные аппараты [сайт УралПромОборудование]. URL: http://upoural.ru/production/22.
5. Кожухотрубчатый испаритель. Большая энциклопедия нефти и газа. URL: http://www.ngpedia.ru/id64992p1.