Кетат Л.В., Балашов В.А., Аристова Ю.В. (сост.) Расчет теплообменного аппарата
Подождите немного. Документ загружается.
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра «Процессы и аппараты химических производств»
РАСЧЕТ
ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА
Методические указания к курсовой работе
по дисциплине «Процессы и аппараты химической технологии»
направления 240100.62 «Химическая технология и биотехнология»
Волгоград
2010
2
УДК. 66.045(075)
Расчет теплообменного аппарата: методические указания к курсовой
работе по дисциплине «Процессы и аппараты химической технологии»
направления 240100.62 «Химическая технология и биотехнология» / Сост.
Л.В. Кетат, В.А. Балашов, Ю.В. Аристова/
ВолгГТУ.-Волгоград, 2010. - 20 с.
В методических указаниях излагаются цель, задачи и содержание
курсовой работы. Приводится методика и содержание теплового расчета
кожухотрубчатого теплообменного аппарата. Даются рекомендации для
подбора стандартной конструкции теплообменного аппарата и выполнения
необходимых для этого приближенного и поверочного расчетов.
Рецензент: д.х.н., профессор
Навроцкий В.А.
Издается по решению редакционно-издательского совета
Волгоградского государственного технического
университета.
© Волгоградский государственный
технический университет, 2010
3
Введение
Многие процессы химической технологии связаны с необходимостью
подвода или отвода тепла. Теплообменные аппараты предназначены для
проведения процессов теплообмена при необходимости нагревания или
охлаждения перерабатываемого продукта с целью его обработки или
утилизации тепла. На предприятиях химической промышленности
удельный вес теплообменного оборудования составляет в среднем 15 ÷
18%, а в нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленностях
до 50%.
Среди большого разнообразия конструкций теплообменного
оборудования наибольшее применение нашли кожухотрубчатые
теплообменные аппараты. Данные аппараты просты в изготовлении и
надежны в эксплуатации, могут быть использованы для осуществления
теплообмена между различными по агрегатному состоянию
теплоносителями в широком диапазоне давлений и температур.
Из-за разнообразия предъявляемых к теплообменным аппаратам
требований и экономических соображений для каждого типа конструкции
кожухотрубчатых теплообменных аппаратов разработан широкий
размерный ряд поверхности теплообмена от нескольких до тысячи
квадратных метров в одном аппарате. Широкая номенклатура
теплообменных аппаратов по конструкции и площади поверхности
теплообмена позволяет выбрать для конкретных условий оптимальный по
поверхности теплообмена аппарат.
При проектировании новых производств и реконструкции
действующих предпочтительнее использовать стандартизованные
теплообменные аппараты, а разрабатывать их новые конструкции следует
только в исключительных технически обоснованных случаях.
Химику-технологу в своей производственной деятельности обычно
приходится не конструировать новые теплообменные аппараты, а
оценивать ресурсные возможности уже работающих или подбирать для
проектируемого или реконструируемого производства выпускаемые
промышленностью стандартные теплообменные аппараты.
Различают два вида расчета теплообменных аппаратов: проектный
(конструкторский) и поверочный. Проектный расчет проводится когда по
технологическим условиям необходимо разработать новый вариант
аппарата, конструкция которого не встречается в имеющихся типовых.
Поверочный расчет выполняется для выявления возможности
4
использования имеющегося или стандартного теплообменного аппарата
для применения в заданном технологическом процессе. Целью такого
расчета является определение возможности обеспечения тепловой
нагрузки при заданных параметрах теплоносителей или определение
параметров теплоносителей при заданной тепловой нагрузке. При
проектном и поверочном расчетах тепловой расчет выполняется с
наибольшей возможной точностью, однако в некоторых случаях бывает
необходимо иметь приближенную оценку ресурсных возможностей
теплообменного аппарата и тогда для него выполняется менее трудоемкий
по сравнению с точным приближенный расчет. Возможность выполнения
приближенного расчета возникает, например, когда требуется подобрать
стандартный теплообменный аппарат для заданных технологических
условий его работы.
Приобретение навыков выполнения тепловых расчетов с целью
подбора стандартных теплообменных аппаратов является одним из
требований программы подготовки химиков-технологов. Этой цели и
служит курсовая работа «Расчет теплообменного аппарата», выполняемая
по разделу «Тепловые процессы и аппараты» дисциплины «Процессы и
аппараты химической технологии».
1. Цели и задачи курсовой работы
Целью курсовой работы является изучение конструкции
теплообменных аппаратов, ознакомление с методами их технологического
расчета и приобретение навыков выполнения инженерных расчетов.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие
задачи:
изучить конструкции, принципы работы и классификацию
кожухотрубчатых теплообменных аппаратов;
изучить методику приближенного и поверочного расчета
теплообменного аппарата;
выполнить индивидуальное задание по тепловому расчету
теплообменного аппарата и подбору его стандартной
конструкции.
5
2. Задание для курсовой работы и рекомендации для ее
выполнения
Студент получает индивидуальное задание для выполнения курсовой
работы, которым предусматривается:
выполнение теплового расчета кожухотрубчатого
теплообменного аппарата (подогревателя для нагревания
жидкого продукта или конденсатора для конденсации его
паров);
выбор конструкции теплообменного аппарата с учетом
способа компенсации температурных напряжений и
возможности механической очистки поверхностей
теплообмена от загрязнений;
подбор стандартной конструкции теплообменного аппарата;
выполнение чертежа общего вида для подобранного
теплообменного аппарата.
Прежде чем приступить к выполнению теплового расчета
необходимо:
ознакомиться с конструкцией и условиями работы различных
типов кожухотрубчатых теплообменных аппаратов, со
способами компенсации температурных напряжений и выбором
направления теплоносителя в трубное или межтрубное
пространство, с классификацией теплообменных аппаратов в
зависимости от их функционального назначения и
конструктивного исполнения [3, Глава 1; Раздел 4.1 настоящего
пособия];
ознакомиться с приближенным и поверочным расчетами и
порядком их выполнения при подборе стандартного
теплообменного аппарата [Раздел 5.1 настоящего пособия].
При выполнении чертежа общего вида следует руководствоваться
рекомендациями и указаниями, изложенными в разделе 6 настоящего
пособия.
Примеры выполнения тепловых расчетов различных типов
теплообменных аппаратов с пояснениями способов подбора их
стандартных конструкций по нормативно-технической документации
приводятся в [2, 4, 5].
6
Перечень рекомендуемой учебно-методической литературы,
необходимой для выполнения задания по курсовой работе, приведен в
разделе 7.
3. Общие сведения
3.1 Классификация теплообменных аппаратов и условия их работы
Кожухотрубчатые теплообменные аппараты по функциональному
назначению и конструктивному исполнению подразделяются и
классифицируются следующим образом [1, 3, 7].
По функциональному назначению различают следующие виды
кожухотрубчатых теплообменных аппаратов: теплообменники (Т),
холодильники (Х), конденсаторы (К) и испарители (И).
По конструктивному исполнению различают следующие типы
кожухотрубчатых теплообменных аппаратов: аппараты с неподвижными
трубными решетками (тип Н), с температурными компенсаторами на
кожухе (тип К), с плавающей головкой (тип П), с U-образными трубами
(тип У).
Теплообменники (ТН, ТК, ТП, ТУ) предназначены для нагревания и
охлаждения различных сред; холодильники (ХН, ХК, ХП) – для
охлаждения различных жидких или газообразных сред пресной, морской
водой и другими хладагентами; конденсаторы (КН, КК, КП) – для
конденсации и охлаждения парообразных сред пресной, морской водой
или другими хладагентами; испарители (ИН, ИК, ИП, ИУ) – для
нагревания и испарения различных жидкостей.
Теплообменные аппараты могут иметь вертикальное исполнение
(типы Н, К, П) и горизонтальное (типы Н, К, П, У); по числу ходов в
трубном пространстве они могут быть одноходовыми (типы Н, К),
двухходовыми (типы Н, К, П, У), четырехходовыми и шестиходовыми
(типы Н, К, П).
В компоновочном исполнении теплообменные аппараты могут быть
одинарными и сдвоенными по высоте расположения.
Теплообменные аппараты типов Н и К применяются в тех случаях,
когда не требуется механическая чистка от загрязнений поверхности труб
межтрубного пространства, если же в процессе эксплуатации
необходимость в этом будет, то применяются теплообменные аппараты
7
типа П и У, допускающие извлечение трубного пучка из кожуха. Выбор
типа аппарата обусловлен не только доступностью механической чистки
поверхности труб, трубного или межтрубного пространства, но и
температурным режимом его работы, определяющим величину
температурных изменений длины труб и кожуха. Так, например,
теплообменные аппараты типа Н можно применять только в тех случаях,
когда разность температур труб и кожуха будет меньше максимально
возможной указанной в [2, Табл. XXXI; 4, Табл. XXXV], в противном
случае следует применять теплообменные аппараты типа К, П, У.
Теплообменные аппараты типа П и У практически не имеют ограничений
по разности температур труб и кожуха. Применение же в этом случае
теплообменного аппарата типа К ограничено прочностью компенсатора и
допускаемые для его работы предельные значения давления теплоносителя
в межтрубном пространстве указаны в [2 Табл. 3.6; 4, Табл. 4.11].
Кожухотрубчатые теплообменные аппараты общего назначения
изготавливаются с кожухами диаметром от 159 мм до 1400 мм. Для
изготовления трубных пучков применяются трубы Ø 20×2; Ø 25×1,5 и
Ø 25×2 мм с длиной труб от 1000 до 9000 мм. Основные узлы и детали
теплообменных аппаратов (трубы, трубные решетки, кожухи, крышки и
др.) в зависимости от коррозионных свойств теплоносителей
изготавливаются из углеродистой или коррозионностойкой стали.
Описание конструкции, основные технические данные и чертежи
общих видов с указанием габаритных и присоединительных размеров для
рассматриваемых типов теплообменных аппаратов с учетом их
функционального назначения изложены в нормативно-технической
документации ТУ 3612-023-00220302-99, ТУ 3612-024-00220302-99.
Технические условия разработаны взамен ранее действовавших ГОСТ
15119-69, 15120-69, 15121-69, 15122-69, 14244-69, 14245-69, 14246-69,
14247-69, 14248-69. Часть сведений, необходимых для теплового расчета
теплообменного аппарата и подбора его типовой конструкции при
выполнении курсовой работы, приводится в источниках [2, 4, 5].
3.2 Основные уравнения для теплового расчета
Независимо от функционального назначения и типа теплообменного
аппарата основными уравнениями при выполнении его теплового расчета
8
являются уравнения теплового баланса, основное уравнение
теплопередачи и уравнение расхода теплоносителя для трубного пучка.
Если агрегатное состояние горячего и холодного теплоносителей не
изменяется, то уравнение теплового баланса запишется как
(
)
(
)
ПHKKH
qTTcGTTcG
+
−
⋅
⋅
=
−
⋅
⋅
22221111
(1)
Когда агрегатное состояние одного из теплоносителей изменяется,
например, горячим теплоносителем является конденсирующийся
насыщенный водяной пар или насыщенный пар продукта, а конденсат
отводится при температуре конденсации, то уравнение теплового баланса
запишется как
(
)
ПHK
qTTcGrD
+
−
⋅
⋅
=
⋅
222211
(2)
а в случае нагревания насыщенным водяным паром жидкого продукта до
температуры кипения и его последующего испарения, как
(
)
ПHКИП
qrGTTcGrD
+
⋅
+
−
⋅
⋅
=
⋅
22222211
(3)
В этих уравнениях:
G
1
и G
2
– массовые расходы горячего и холодного теплоносителей,
находящихся в жидком состоянии;
С
1
и С
2
– среднемассовые теплоемкости горячего и холодного
теплоносителей;
Т
1Н,
Т
1К,
Т
2Н,
Т
2К
– начальная и конечная температуры горячего и
холодного теплоносителей;
D
1
– массовый расход конденсирующегося пара горячего
теплоносителя;
Т
2КИП
– температура кипения испаряемого продукта (холодный
теплоноситель);
r
1
– удельная теплота конденсации паров горячего теплоносителя;
r
2
– удельная теплота испарения продукта нагретого до температуры
Т
2КИП
.
(
)
KH
TTcGq
21111
−⋅⋅=
(4)
– тепловой поток отдаваемый горячим теплоносителем,
(
)
HK
TTcGq
22222
−⋅⋅=
(5)
- тепловой поток получаемый холодным теплоносителем ;
q
П
- тепловые потери.
9
С помощью уравнений теплового баланса можно определить расход
одного из теплоносителей, если известны расход другого теплоносителя и
начальные и конечные температуры обоих теплоносителей, или конечную
температуру одного из теплоносителей при известном его расходе.
Так, например, при нагревании продукта насыщенным водяным
паром, конденсирующимся в межтрубном пространстве и отборе
конденсата при температуре конденсации, расход греющего пара
определяется из уравнения (2) как
(
)
i
ПHK
r
qTTcG
D
+−⋅⋅
=
2222
1
(6)
а при конденсации насыщенных паров продукта в межтрубном
пространстве и отборе конденсата при температуре конденсации, расход
охлаждающей воды определится из того же уравнения как
( )
НК
П
ТТс
qrD
G
222
11
2
−⋅
−⋅
=
(7)
Тепловые потери в теплообменных аппаратах через поверхность
кожуха в окружающую среду могут как ухудшать, так и благоприятно
сказываться на экономических показателях их работы. Так, например, для
нагревателя, как видно из уравнения (6), эти потери увеличивают расход
водяного греющего пара, что нежелательно, поэтому кожух нагревателя в
этом случае следует покрыть слоем теплоизоляционного материала,
толщина которого должна быть такой, чтобы тепловые потери не
превышали 5%, а для конденсатора, как следует из уравнения (7),
наоборот, тепловые потери желательны, так как снижают расход
охлаждающей воды, поэтому его не следует теплоизолировать, однако это
возможно только в том случае, когда температура на поверхности кожуха
конденсатора и его крышках не превышает предельно допускаемой по
технике безопасности 60ºС. В противном случае конденсатор должен быть
покрыт слоем теплоизоляционного материала, толщина которого должна
быть такой, чтобы температура на его поверхности не превышала 60ºС.
При выполнении курсовой работы тепловые потери для конденсатора
принимаются в пределах 3-5%.
Основное уравнение теплопередачи определяет тепловой поток от
горячего теплоносителя к холодному,
FTKq
ср
⋅
∆
⋅
=
, (8)
10
где F – поверхность теплообмена;
∆Т
ср
– средняя движущая сила процесса теплопередачи;
К – коэффициент теплопередачи.
На основании этого уравнения определяется расчетное значение
поверхности теплообмена как
ср
TK
q
F
∆⋅
=
, (9)
величина теплового потока для этого уравнения определяется с
помощью зависимости (5).
Средняя движущая сила процесса теплопередачи определяется как
м
б
мб
ср
Т
T
ТТ
Т
∆
∆
∆
−
∆
=∆
ln
, (10)
где ∆Т
б
и
∆Т
б
- большее и меньшее значение движущей силы
теплопередачи в крайних сечениях поверхности теплообмена.
Если
2<
∆
∆
м
б
Т
Т
, то вместо уравнения (10) можно воспользоваться
зависимостью
2
мб
ср
ТТ
Т
∆+∆
=∆
(11)
Эти уравнения справедливы для определения средней движущей силы
как для противотока, так и для прямотока, но только для одноходового по
трубному пространству теплообменного аппарата. Для многоходового
теплообменного аппарата средняя движущая сила определяется как
Тпрсрср
ТТ
ε
⋅
∆
=
∆
)(
..
, (12)
где ∆Т
ср.пр.
– средняя движущая сила определяется как для одноходового
теплообменного аппарата при противоточном движении теплоносителей;
ε
Т
– поправочный коэффициент, учитывающий влияние числа ходов при
смешанном взаимном перемещении теплоносителей. Указания по
определению этого коэффициента для многоходовых аппаратов приведены
в [2, Рис. VI; 4, Рис. VIII; 5, раздел 2.1].
Коэффициент теплопередачи определяется как