Проектирование теплообменного аппарата

СОДЕРЖАНИЕ

      Введение

1.Выбор и обоснование  типа  и конструкции аппарата.

1.1.Выбор и обоснование  типа теплообменника.

1.2.Предварительный конструктивный  расчет.

1.3.Выбор и обоснование  материалов.

2.Конструкторский расчет  аппарата.

2.1.Уточненный теплотехнический расчет.

2.2.Механический расчет.

2.3.Гидравлический расчет.

Заключение.

Список используемой литературы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

 

В процессе подготовки специалистов особое значение занимает курсовое проектирование, которое является завершающим этапом при обучении на специальных дисциплинах, а также тренировкой перед дипломным проектированием и преследует следующие цели:

• закрепление, углубление и систематизация теоретических знаний;
• применение полученных знаний и навыков для самостоятельного решения конкретных инженерных задач;
• развитие навыков работы с технической и справочной литературой;
• ознакомление с действующими ГОСТ,ОСТ и нормалями;
• приобретение навыков обоснования выбора аппаратов;
• развитие навыков оформления технической документации.

Данный курсовой проект заключается в проектировании теплообменного аппарата, включающего в себя расчет типового аппарата ХТС и его графическое  оформление.

Теплообменные аппараты широко используются в промышленности,

Как для нагрева, так  и охлаждения различных технологических сред при протекании промышленных процессов, а также и для бытовых целей, например, обогрев помещений, получение горячей воды и т.д.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.Выбор и обоснование  типа, и конструкции аппарата.

 

 

В настоящее время наша промышленность очень широко выпускает и использует множество теплообменных аппаратов для различных целей. В данном случае необходимо выполнить задачу по нагреву пресной воды от 25 ⁰С до 90 ⁰С, причем аппарат должен быть непрерывного действия с расходом 1,12 т/ч. Из исходных данных следует, что для решения данной задачи требуется выбрать горячий теплоноситель, который будет непрерывно подавать в аппарат.

 

 

1.1.Выбор и обоснование  типа теплообменника.

 

Выбор теплообменника производится с целью достижения оптимальных условий проведения процесса теплообмена при минимальных, капитальных и эксплуатационных затратах. Это достигается при выборе таких типов аппаратов, которые обеспечивают наибольший коэффициент теплопередачи и надежную работу при минимальных габаритах и массе аппарата, поэтому при выборе теплообменного аппарата исходят из следующих требований [4]:

а) Основополагающим требованием  является соответствие аппарата технологическому процессу, критериями которого являются:

• поддержание необходимой температуры процесса;
• обеспечение возможности регулировки температурного режима;
• соответствие рабочих скоростей теплоносителей для необходимой продолжительности пребывания их в аппаратах;
• применение материала аппарата в соответствии с физико-химическими свойствами теплоносителей;
• соответствие аппарата давлениям рабочих сред;

б) Обеспечение производительности и экономичности работы аппарата, что связано с повышением интенсивности  теплообмена и одновременным  соблюдением гидравлических потерь. Это требование выполняется:

• при скоростях теплоносителей, достаточных для турбулентного режима;
• при благоприятном относительном движении теплоносителей;
• при условии достижения близких термических сопротивлений по обеим сторонам стенки, разделяющей теплоносители;
• при создании оптимальных условий для отвода конденсата;
• при отсутствии загрязнений и удобстве чистки поверхности теплообмена;

в)  Простота конструкции, удобство монтажа и ремонта аппарата. На это влияют такие факторы:

• конфигурация поверхности теплообмена;
• способ размещения и крепления труб в трубной решетке;
• количество перегородок и уплотнений;
• устройство камер, крышек и днищ;

г) Надежность работы и  удобство эксплуатации аппарата:

• компенсация температурных напряжений;
• прочность и плотность разъемных соединений;
• доступ для осмотра и чистки;
• удобство контроля за работой;
• удобство подключения аппарата к технологической линии и др.

д) Стоимость теплообменника при массовом производстве должна быть минимальной. Для осуществления  этого, следует иметь в виду, что  относительная стоимость аппарата уменьшается с увеличением поверхности теплообмена, уменьшения диаметра и увеличения длины теплообменных труб.

Таким образом исходя из этих требований целесообразно выбрать аппарат  такого типа и конструкции, которые  бы стояли на массовом изготовлении и наиболее чаще использовались для нагрева жидких сред в интервале температур от 30 ⁰С до 75 ⁰С.

Так как расход нагреваемой воды не так велик (0,14 т\ч), а значит и поверхность теплопередачи тоже будет мала, то целесообразнее будет применение теплообменных аппаратов двух типов:

• кожухотрубчатые;
• «труба в трубе».

При дальнейшем рассмотрении этих типов аппаратов, а также  основываясь на некоторые рекомендации по выбору типа теплообменника [4], можно  сделать вывод о превосходстве  использования теплообменника типа «труба в трубе», так как такой тип аппарата:

• наиболее чаще применяется в качестве подогревателей и холодильников жидкостей при небольших объемных расходах и малых поверхностях теплообмена;
• имеет меньший диаметр и большую длину аппарата по сравнению с кожухотрубчатым, что снижает его относительную стоимость и способствует более высоким скоростям теплообмена;
• более удобен в поверхности теплообмена и отвода конденсата.

Очевидно, что для выбора горячего теплоносителя целесообразнее использовать горячую воду или насыщенный водяной пар, так как использование других теплоносителей сопряжено со сложной аппаратурой и высокими требованиями техники безопасности.

При более детальном рассмотрении этого вопроса становится явным  то, что использование насыщенного водяного пара намного выгоднее, так как [4]:

• отпадает необходимость использования насоса для перекачивания;
• высокая температура при относительно малом давлении у пара позволяет уменьшить поверхность теплообмена, а следовательно уменьшить размеры аппарата;
• исключить образование осадков на теплопередающей поверхности, так как пар не имеет солевых примесей;
• при конденсации водяного пара при относительно небольшом расходе можно получить больше тепла, чем при остывании воды.

Таким образом в качестве горячего теплоносителя выбран насыщенный водяной пар при температуре t₁=110 ⁰С, обладающий следующими физическими свойствами [3]:

• давление Р₁=1,46 кг с/см ²;
• плотность r₁=0,825 кг/м ³;
• коэффициент теплопроводности l₁=2,59 ^. 10^-2 Вт/м ^. к;
• кинематический коэффициент вязкости ν₁=15,20 ^. 10^-6 м ²/с;
• удельная теплота конденсации  r₁=2234 кДж/кг;
• критерий Pr₁=1,00.

 

Следующим важным моментом является – какой из теплоносителей направить в трубное пространство аппарата, а какой в межтрубное. Обычно стремятся направить теплоносители в теплообменник таким образом, чтобы [4]:

• максимально увеличить наименьший из коэффициентов теплоотдачи, определяющего коэффициент теплопередачи, и тем самым выровнять условия теплоотдачи по обеим сторонам теплообменной поверхности;
• уменьшить расход дорогостоящих материалов на изготовление аппарата;
• облегчить чистку аппарата;
• предупредить или уменьшить выпадение осадков из рабочих сред;
• уменьшить потери тепла;
• уменьшить термические напряжения, вследствие удлинения пучка труб и кожуха;
• облегчить ввод, распределение и вывод теплоносителей из аппарата.

Исходя из этих соображений, целесообразно направить пресную  воду в трубное пространство, а  водяной пар в межтрубное, так  как это:

• облегчает чистку аппарата от отложений из-за облегченного доступа;
• облегчается удаление конденсата.

При выборе схемы относительного движения теплоносителей, так же следует учесть, что схема противотока более  экономична и уменьшает размеры  поверхности теплопередачи, поэтому  это и обуславливает ее для применения в данном аппарате.

 

 

1.2. Предварительный конструктивный  расчет.

 

Основным критерием для выбора теплообменного аппарата является поверхность  теплопередачи, как определяющая геометрическая характеристика аппарата. Она может  быть определена из основного уравнения теплопередачи [4]

                                                                                                                                                         

где F-поверхность теплообмена, м²;

      Q-тепловой поток, Вт;

       Dt_ср-средний температурный напор, К;

       К-  коэффициент теплопередачи, Вт/(м^{2 .} к).

В соответствии тепловой поток рассчитывается по уравнению [3]:

                         Q₂=G₂ ^. C₂ ^. | t_2н – t_2к|   (2)

где  Q₂ – тепловой поток со стороны воды, Вт;

       G₂ – массовый расход воды, кг/с;

       C₂ – удельная теплоемкость воды, Дж/кг ^. к.

                           C₂= 4,18 ^. 10³ Дж/кг ^. к;

       t_2н – температура воды на входе, К;

        t_2к – температура воды на выходе, К.

Отсюда:

                   Q₂ = 0,311 ^. 4,18 ^. 10^{3 .} | 90 – 25 | = 84498,7 (Вт)

С помощью уравнения  теплового баланса [4]:

                                                Q = Q₂ = Q₁   (3)

где  Q – тепловой поток со стороны пара, Вт.

Находится расход пара подаваемого в аппарат [4]:

                                                Q₁ = G₁ ^.  r₁    (4)       

                                                 G₁ =

 где   G₁ – массовый расход пара, кг/с;

          r₁ – удельная теплота конденсации пара,

                   r₁ = 2234 ^. 10³ Дж/кг

Откуда:

                               G₁ = кг/с

Определение значения температурного напора по схеме противотока при  постоянной температуре горячего теплоносителя и изменяющейся температуре холодного теплоносителя производится по формуле [2]:

                                         Dt_ср =     

где   Dt_max,Dt_min – максимальная и минимальная разности температур между начальными и конечными значениями, К.

Они находятся, как [4]:

                              Dt_max = t₂ – t_1н             (6)                             

                              Dt_min = t₂ – t_1к             (7)

где   t₂ – температура пара

                              

Dt_max = 110 – 25 = 85 (С°)

                                        Dt_min = 110 – 90 = 20 (С°)

Отсюда

                                      Dt_ср = С°   

Так как на данной стадии расчёта  определение коэффициента теплопередачи невозможно, поэтому необходимо задаться его ориентировочными значением. Так при теплопередаче от конденсирующегося водяного пара к воде  при свободном движении первого, ориентировочное значение коэффициента теплопередачи следует выбирать из интервала от 800 до 3500  [4]

 

Следовательно принято К_ор=2115 Вт/(м^{2 .} К),

Откуда из формулы (1) получено: