Кожухотрубчатые теплообменники

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования

«Белорусский государственный  технологический университет»

Кафедра процессов и аппаратов  химических производств

 

 

 

 

 

 

 

 

 

РАСЧЕТНО – ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовой работе

по процессам и аппаратам химических технологий

на тему "Кожухотрубчатые теплообменники"

 

 

 

 

 

 

 

 

Разработал

студент 3 курса

инженерно-экономического факультета

специальности 1-43 01 06 02

Стригельский А. В.

Руководитель

Калишук Д. Г.

Минск 2013

 

Оглавление

 

 

 

 

Введение

Современная химическая промышленность в Беларуси развивается с 60-х годов  в комплексе с нефтеперерабатывающими и нефтехимическими предприятиями. Интенсивному развитию в республике этой отрасли способствовал ряд благоприятных факторов: большая потребность народного хозяйства в химической и нефтехимической продукции и высокая эффективность её применения в промышленности и сельском хозяйстве; открытие богатых запасов калийных солей на юге Минской области и нефтяных месторождений в Гомельской области; разветвлённая сеть железных и автомобильных дорог.

Начиная с 1958 года, в республике осуществляется развёрнутое строительство новых, расширение и реконструкция действующих химических предприятий. Химическая промышленность стала одной из ведущих отраслей хозяйства, охватывающей многочисленные производства разнообразных неорганических и органических продуктов, имеющих важное значение. Возникли и получили промышленное применение процессы адсорбции, экстракции, молекулярной дистилляции и др.

Современная химическая промышленность насчитывает множество разнообразных  производств, часто сильно различающихся  химической природой и физическими свойствами исходных веществ, промежуточных и конечных продуктов, а также характером и условиями протекания технологических процессов. Несмотря на перечисленные различия, число элементарных процессов, повторяющихся в разных сочетаниях во всех химических производствах, едва достигает двадцати. Из этого ограниченного числа элементарных процессов или из некоторой их части, но в различной последовательности и при разных рабочих условиях строится технология любого химического производства.

 

1 Литературный обзор

1.1 Теоретические основы  теплообмена

При тепловых процессах тепло передаётся от одного вещества к другому. Для  самопроизвольного переноса тепла  одно из этих веществ должно быть более  нагрето, чем другое. Вещества, участвующие  в процессе перехода тепла (теплообмен), называются теплоносителями. Вещество с более высокой температурой, которое в процессе теплообмена отдаёт тепло, называется горячим теплоносителем, а вещество с более низкой температурой, воспринимающее тепло, холодным теплоносителем.

Существуют два основных способа проведения тепловых процессов: путём непосредственного соприкосновения теплоносителей и передачей тепла через стенку, разделяющую теплоносители.

При передаче тепла  непосредственным соприкосновением теплоносители  обычно смешиваются друг с другом, что не всегда допустимо; поэтому данный способ применяется сравнительно редко, хотя он значительно проще в аппаратурном оформлении. При передаче тепла через стенку теплоносители не смешиваются, и каждый из них движется по отдельному каналу; поверхность стенки, разделяющей теплоносители, используются для передачи тепла, и называется поверхностью теплообмена.

Различают установившийся и неустановившийся процессы теплопередачи. При установившемся (стационарном) процессе температуры в каждой точке аппарата не изменяются во времени, тогда как при неустановившемся (нестационарном) процессе температуры изменяются во времени. Установившиеся процессы соответствуют непрерывной работе аппаратов с непрерывным режимом; неустановившиеся процессы протекают в аппаратах периодического действия, а также при пуске и остановке аппаратов непрерывного действия и изменении режима их работы.

Передача тепла  от одного тела к другому может  происходить посредством теплопроводности, конвекции и лучеиспускания.

Передача тепла теплопроводностью осуществляется путём переноса тепла при непосредственном соприкосновении отдельных частиц тела. При этом энергия передаётся от одной частицы к другой в результате колебательного движения частиц, без их перемещения друг относительно друга. Передача тепла конвекцией происходит только в жидкостях и газах путём перемещения их частиц. Перемещение частиц обусловлено движением всей массы жидкости или газа (вынужденная или принудительная конвекция), либо разностью плотностей жидкости в разных точках объёма, вызываемой неравномерным распределением температуры в массе жидкости или газа (свободная, или естественная, конвекция).

Конвекция всегда сопровождается передачей тепла  посредством теплопроводности.

Передача тепла  лучеиспусканием происходит путём переноса энергии в виде электромагнитных волн. В этом случае тепловая энергия превращается в лучистую энергию (излучение), которая проходит через пространство и затем снова превращается в тепловую при поглощении энергии другим телом (поглощение).

Рассмотренные виды передачи тепла редко встречаются в чистом виде; обычно они сопутствуют друг другу (сложный теплообмен). Так при передаче тепла через стенку перенос тепла от горячего теплоносителя к стенке и от стенки к холодному теплоносителю осуществляется конвекцией, а через стенку – путём теплопроводности.

Теплообменными  аппаратами, или теплообменниками, называются устройства для передачи тепла от одних сред (горячих теплоносителей) к другим (холодным теплоносителям). В химической технологии теплообменные  аппараты применяются для нагревания и охлаждения веществ в различных агрегатных состояниях, испарения жидкостей и конденсации паров, перегонки и сублимации, абсорбции и адсорбции, расплавления твёрдых тел и кристаллизации, отвода и подвода тепла при проведении экзо- и эндотермических реакций и т. д. соответственно своему назначению теплообменные аппараты называют подогревателями, холодильниками, испарителями, конденсаторами, дистилляторами, сублиматорами, плавителями и т. п.

Количество тепла, передаваемого в единицу времени от одного тела к другому, называется тепловым потоком, и выражается в Дж/сек или Вт, т. е. единицах мощности.

При теплообмене  между теплоносителями происходит уменьшение энтальпии (теплосодержания) горячего теплоносителя и увеличение энтальпии холодного теплоносителя. Пусть количество горячего теплоносителя, его начальная и конечная энтальпия равны соответственно G кг/сек I1и I2Дж/кг, а количество холодного теплоносителя и его начальная и конечная энтальпия g кг/сек i1и i2Дж/кг.

Примем также, что количество тепла, передаваемое от горячего теплоносителя к холодному, составляет Q Вт (эта величина называется тепловой нагрузкой аппарата), а потери тепла в окружающую среду равны QnВт. Тогда уравнение теплового баланса запишется в виде:

G·I1+g·i1= G·I2+ g·i2+ Qn,       (1)

Произведя перегруппировку, получим:

G·(I1– I2) = g·(i2–  i1) + Qn,       (2)

 

Величина Qгор= G·(I1 – I2) представляет собой количество тепла, отданного горячим теплоносителем, а величина Qхол= g·(i2– i1) количество тепла, сообщённое холодному теплоносителю.

Таким образом:

Qгор= Qхол+ Qn ,        (3)

Т. е. тепло, отданное горячим теплоносителем, частично передаётся холодному теплоносителю и частично расходуется на компенсацию потерь в окружающую среду.

В теплообменных  аппаратах потери тепла обычно невелики (не более 2 – 3 %) и ими можно пренебречь. Тогда уравнение теплового баланса примет вид:

Q = Qгор= Qхол ,        (4)

или

Q = G·(I1–I2) = g·(i2–  i1),       (5)

Расчет теплообменного аппарата включает определение необходимой  поверхности теплопередачи, выбор типа аппарата и нормализованного варианта конструкции, удовлетворяющих заданным технологическим условиям оптимальным образом. Необходимую поверхность теплопередачи определяют из основного уравнения теплопередачи:

F = Q/(K·∆tcp),         (6)

Тепловую нагрузку Q в соответствии с заданными технологическими условиями  находят из уравнения теплового  баланса для одного из теплоносителей:

— если агрегатное состояние теплоносителя  не меняется — из уравнения

Q = Gi·ci·[tiн- ti k], i =1,2,        (7)

— при конденсации насыщенных паров  без охлаждения конденсата или при  кипении — из уравнения

Q = Gi·ri, i = 1,2,         (8)

— при конденсации перегретых паров  с охлаждением конденсата

Q = G1·(I1н– c1·t1k),        (9)

где I1н— энтальпия перегретого  пара Дж/кг.

Если агрегатное состояние теплоносителя  не меняется, его среднюю температуру  можно определить как среднеарифметическую между начальной и конечной температурами:

ti= (tiн+ tik)/2, i = 1,2,       (10)

Более точное значение средней температуры  одного из теплоносителей

можно получить, используя среднюю  разность температур:

ti= tj± ∆tcp,         (11)

где tj— среднеарифметическая температура  теплоносителя с меньшим перепадом  температуры вдоль поверхности  теплообмена, °С.

При изменении агрегатного состояния теплоносителя его температура постоянна вдоль всей поверхности теплопередачи и равна температуре кипения (или конденсации) зависящей от давления и состава теплоносителя.

Для протекания процесса передачи тепла  необходимо наличие некоторой разности температур между горячим и холодным теплоносителями. Эта разность температур является движущей силой процесса теплопередачи и называется температурным напором. Если Т — температура горячего теплоносителя, а t — температура холодного теплоносителя в °С, то температурный напор:

q = T – t,          (12)

Чем больше температурный напор, тем  выше скорость передачи тепла, причём количество тепла, передаваемого от горячего теплоносителя к холодному, пропорционально поверхности теплообмена F (м2), температурному напору q и времени τ, с : Q = K·F·q·τ,          (13)

где K — коэффициент теплопередачи, Вт/м2∙К.

Если тепло переносится путём  теплопроводности через стенку, то, согласно закону Фурье, количество передаваемого  тепла пропорционально поверхности F, разности температур между обеими поверхностями стенки (qст. = tст.1-tст.2),времени τ и обратно пропорционально толщине стенки δ:

Q = [λ·F(tст1– tст2)·τ]/δ = (λ·F·qст.·τ)/δ,      (14)

где tст1и tст2— температура поверхностей стенки; λ – коэффициент теплопроводности, Вт/(м∙К).

1.2 Основные типы теплообменников

1.2.1 Назначение и классификация  теплообменных аппаратов

Теплообменными аппаратами, или  теплообменниками, называются устройства для передачи тепла от одних сред (горячих теплоносителей) к другим (холодным теплоносителям). В химической технологии теплообменные аппараты применяются для нагревания и охлаждения веществ в различных агрегатных состояниях, испарения жидкостей и конденсации паров, перегонки и сублимации, абсорбции и адсорбции, расплавления твердых тел и кристаллизации, отвода и подвода тепла при проведении экзо- и эндотермических реакций и т. д.

Соответственно своему назначению теплообменные аппараты называют подогревателями, холодильниками, испарителями, конденсаторами, дистилляторами, сублиматорами, плавителями и т.п.

По способу передачи тепла различают  теплообменные аппараты поверхностные  и смесительные. В первом случае передача тепла происходит через  разделяющие твердые стенки, во втором — непосредственным контактом (смешением) нагретых и холодных сред (жидкостей, газов, твердых веществ). Поверхностные аппараты подразделяются на рекуперативные и регенеративные. В рекуперативных аппаратах тепло от горячих теплоносителей к холодным передается через разделяющую их стенку, поверхность которой называется теплообменной поверхностью, или поверхностью нагрева. В регенеративных аппаратах оба теплоносителя попеременно соприкасаются с одной и той же стенкой, нагревающейся (аккумулируя тепло) при прохождении горячего потока и охлаждающейся (отдавая аккумулированное тепло) при последующем прохождении холодного потока. Регенераторы являются аппаратами периодического действия, рекуператоры могут работать как в периодическом, так и в непрерывном режимах.

1.2.2 Обзор типовых теплообменных  аппаратов

При небольших тепловых нагрузках, когда требуемая поверхность теплообмена не превышает 20 — 30 м2, целесообразно применение теплообменников типа «труба в трубе» Такие теплообменники изготовляют следующих типов: 1) неразборные однопоточные малогабаритные; 2) разборные одно- и двухпоточные малогабаритные; 3) разборные однопоточные; 4) неразборные однопоточные; 5) разборные многопоточные.