Определение тепловой нагрузки аппарата.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«БЕЛГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ     ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. В.Г.ШУХОВА»

Кафедра «Энергетики теплотехнологий»

 

 

Курсовая работа

По дисциплине: «Тепломассообмен»

На тему: «Теплотехнический расчет кожухотрубчатого теплообменника»

 

Выполнил: студент гр. ЭТз-

 

Принял: к.т.н., доц. Тихомирова Т.И.

 

 

Белгород 2021

Оглавление

Введение. 3

Задание на курсовое проектирование. 5

1. Тепловой расчет. 6

1.1 Определение тепловой нагрузки аппарата. 6

1.2 Определение расхода пара и его насыщенности. 7

1.3 Расчет температурного режима теплообменника. 7

1.4 Выбор теплофизических характеристик теплоносителей. 8

1.5    Ориентировочный расчет площади поверхности аппарата. Выбор конструкции аппарата и материалов для его изготовления. 9

1.6 Приближенный расчет коэффициентов теплоотдачи и коэффициента теплопередачи. 11

1.7   Уточненный расчет коэффициентов теплоотдачи. Окончательный выбор теплообменного аппарата. 13

1.8    Обозначение теплообменного аппарата. 16

2.  Гидравлический расчет. 19

2.1  Расчет гидравлических сопротивлений трубопроводов и аппаратов, включенных в них. 19

2.1.1.  Разработка трубопроводы насосной установки на участки. 19

2.1.2.  Определение геометрических характеристик участков трубопровода, скоростей и режимов движения теплоносителя в них. 20

2.1.3.  Расчет сопротивлений трубопроводов и аппаратов, включенных в них. 21

2.2  Определение требуемого напора насоса. 26

2.3  Выбор типа и марки насоса по расчетному напору и заданной подаче. 26

2.4  Построение характеристик насоса и трубопровода. Определение рабочей точки насоса. 26

Заключение. 29

Список используемой литературы.. 30

 

Введение

 

Теплообменниками называют аппараты, в которых происходит теплообмен, между рабочими средами не зависимо от их технологического или энергетического назначения (подогреватели, выпарные аппараты, концентраторы, пастеризаторы, испарители, деаэраторы, экономайзеры и др.)

    Технологическое назначение теплообменников многообразно. Обычно различаются собственно теплообменники, в которых передача тепла является основным процессом, и реакторы, в которых тепловой процесс играет вспомогательную роль.

    Классификация теплообменников возможна по различным признакам. По способу передачи тепла различают теплообменники смешения, в которых рабочие среды непосредственно соприкасаются или перемешиваются, и поверхностные теплообменники – рекуператоры, в которых тепло передается через поверхность нагрева – твердую (металлическую) стенку, разделяющую эти среды.

    По основному назначению различают подогреватели, испарители, холодильники, конденсаторы.

    В зависимости от вида рабочих сред различаются теплообменники:

    а) жидкостно – жидкостные – при теплообмене между двумя жидкими средами;

    б) парожидкостные – при теплообмене между паром и жидкостью (паровые подогреватели, конденсаторы);

    в)газожидкостные – при теплообмене между газом и жидкостью (холодильники для воздуха и др.)

    По тепловому режиму различаются теплообменники периодического действия, в которых наблюдается нестационарный тепловой процесс, и непрерывного действия с установившимся во времени процессом.

    В теплообменниках периодического действия подвергается определенная порция (загрузка) продукта. Вследствие изменения свойств продукта и его количества параметров процессов непрерывно варьируется в рабочем объеме аппарата во времени.

    В качестве теплоносителя наиболее широко применяются насыщенный или слегка перегретый водяной пар. В смесительных аппаратах пар обычно барботируют в жидкость (впуская под уровень жидкости); при этом конденсат пара смешивается с продуктом, что не всегда допустимо. В поверхностях аппарата пар конденсируется на поверхности нагрева и конденсат удаляется отдельно от продукта с помощью водоотводчиков. Водяной пар как теплоноситель обладает множеством преимуществ: легкость транспортирования по трубам и регулирования температуры, высокой интенсивностью теплоотдачи и др. Применение пара особенно выгодно при использовании принципа многократного испарения, когда выпариваемая из продуктов вода направлена в виде греющего пара в другие выпарные аппараты и подогреватели.

    Обогрев горячей водой и жидкостями также имеет широкое применение и выгоден при вторичном использовании тепла, конденсаторов и жидкостей (продуктов), которые по ходу технологического процесса нагреваются до высокой температуры. В сравнении с паром жидкостный подогрев менее интенсивен и отличается переменой, снижением температурой теплоносителя. Однако регулирование процесса и транспорт жидкостей наивысшей температуры ограничен 150-160оС, что соответствует давлению (5-7)*105 Па

    В отдельных случаях (в консервной промышленности) применяются масляный обогрев, который позволяет при атмосферном давлении достигнуть температуры до 200 оС.

    Широко применяется обогрев горячими газами и воздухом (до 300-1000 оС) в печах, сушильных установках. Газовый обогрев отличается рядом недостатков: Трудностью регулирования и транспортирования теплоносителя, малая интенсивность теплообмена, загрязнение поверхности аппаратуры (при использовании топочных газов) и др. Однако в ряде случаев он является единственно возможным (например, в воздушных сушилках).

    При любом использовании теплоносителей и хладагентов тепловые и массообменные процессы подчинены основному – технологическому процессу производства, ради которого создаются теплообменные аппараты и установки. По – этому решение задач оптимизации теплообмена подчинено условиям рационального технологического процесса.

    Для нагревания и охлаждения жидких сред разработаны теплообменники разнообразных конструкций.

    Конкретная задача нагревателя охлаждения данного продукта может быть решена с помощью различных теплообменников. Конструкцию теплообменника следует выбирать, исходя из следующих основных требований, предъявляемых к теплообменным аппаратам:

    Важнейшим требованием является соответственно аппарат технологическому процессу обработки данного продукта; это достигается при таких условиях: поддержание необходимой температуры процессы, обеспечение возможности регулирования температурного режима; соответствие рабочих скоростей продукта минимально необходимой продолжительности пребывания продукта в аппарате; выбор материала аппарата в соответствии с химическими свойствами продукта; соответствие аппарата давлениям обоих сред.

    Вторым требованием является высокая эффективность и экономичность работы аппарата, связанные с повышением интенсивности теплообмена и одновременно с соблюдением оптимальных гидравлических сопротивлений аппарата.

    Эти основные требования должны быть положены в основу конструирования и выбора теплообменных аппаратов. При этом самое большое значение имеет обеспечение заданного технологического процесса в аппарате.

Задание на курсовое проектирование.

Выбрать конструкцию и экономически целесообразный режим эксплуатации теплообменного аппарата для нагревания воды в бойлерной установке.

    Вода насосом 1 перекачивается из резистора 2 через грязевик 3 и бойлер 4 по трубопроводам к потребителю (рис. 6.14-Х). В бойлере вода нагревается от отбора турбины давления p_т он t₁ до t₂. Расход воды V, давление у потребителей p_к.

    Вода подается по трубопроводу длиной l = l _вс+ l _н. Длина трубопровода от насоса до теплообменника l _н, высота всасывания l _вс, максимальная высота подъема воды Н.

Рис. 1

Исходные данные:

№ варианта	V, м^3/с	H, м	lвс, м	lн, м	l`н, м	pт, МПа	t1, ^оС	t2, ^оС	pк, МПа	hвс, м
6	0,042	26	8	890	21	0,26	52	81	0,14	1,9

 

 

Тепловой расчет.

Целью теплового расчета является определение необходимой площади теплопередающей поверхности, соответствующей при заданных температурах оптимальным гидродинамическим условиям процесса, и выбора стандартизированного теплообменника.

Из основного уравнения теплопередачи:

(1)

где F – площадь теплопередающей поверхности, м² ;

Q – тепловая нагрузка аппарата, Вт;

К – коэффициент теплопередачи, Вт/(м² К);

 – средний температурный напор, К.

 

Рис. 2 - Схема процесса теплопередачи.

Теплообменник

Рис.3 Вертикальный шестиходовой кожухотрубчаный теплообменник с неподвижными трубными решетками и компенсатором на кожухе типа КНВ.

Трубная решетка

Рис.4 Размещение отверстий в трубных решетках

Диаметр аппарата: внутренний – 800 мм.

Средее допустимое давление Р_у = 0,28 Мпа.

Толщина трубной решётки теплообменника – 20 мм.

Диаметр труб: наружный – 25 мм, внутренний – 21 мм.

Шаг между трубами: t = 32 мм.

Число отверстий под трубы в трубных решетках и перегородках не менее:

В секторе – 98, в решетке – 196.

Число отверстий под трубы в трубных решетках и перегородках по рядам:

0 ряд – 18

1 ряд – 16

2 ряд – 15

3 ряд – 14

4 ряд – 12

5 ряд – 10

6 ряд – 6

7 ряд – 4

8 ряд – 3

Общее число труб в решетке – 196.

Отверстия в трубных решетках выполняем гладкими. По ГОСТ 15118 – 79 под трубы с наружным диаметром 25 мм установлен диаметр 25,5 мм.

Гидравлический расчет.

Цель гидравлического расчета – определение величины сопротивлений различных участков трубопроводов и теплообменника и подбор насоса, обеспечивающего заданную подачу и рассчитанный напор при перекачке воды.

 

Рис. 5 – Коэффициенты местных сопротивлений теплообменника.

Предварительно вычислим площади потока в различных участках.

Площадь поперечного сечения штуцера

 

 

Площадь поперечного сечения крышки (свободного сечения аппарата)

Площадь поперечного сечения 196 труб теплообменника

Скорости и скоростные напоры в соответствующих сечениях:

Коэффициенты местных сопротивлений:

а) при входе потока через штуцер в крышку (внезапное расширение)

 

б) при входе потока из крышки в трубы (внезапное сужение)

в) при выходе потока из труб в крышку (внезапное расширение)

г) при входе потока из крышки в штуцер (внезапное сужение)

Вычисляем потери напора в местных сопротивлениях:

а) при входе потока через штуцер

б) при входе потока в трубы

в) при выходе потока из труб

г) при выходе потока из крышки через штуцер

Суммарные потери напора в местных сопротивлениях теплообменника

Общие потери напора (по длине и в местных сопротивлениях теплообменника)

    Так как диаметр напорного трубопровода d_н не совпадает с диаметром штуцера d_ш то площадь равна:

Скорость:

Скоростной напор:

    Участок напорного трубопровода от теплообменника до реактора включает сопротивления:

Потери напора:

Участок напорного трубопровода от теплообменника до реактора

       Участок напорного трубопровода от теплообменника до реактора включает вход и выход из трубы и два колена. Тогда сумма коэффициентов местных сопротивлений будут равна:

Суммарные потери напора в насосной установке (сети)

Таблица 2 – Характеристики трубопровода.

V		Hст, м	∑hn, м	Hтр = Нст + bV^2
м3/с	м3/ч
1,389*10^-2	50	38,06	0,2166	38,2766
2,778*10^-2	100	38,06	0,8662	38,9262
4,167*10^-2	150	38,06	1,949	40,009
5,556*10^-2	200	38,06	3,465	41,525
6,944*10^-2	250	38,06	5,412	43,472
8,333*10^-2	300	38,06	7,794	45,854
9,722*10^-2	350	38,06	10,609	48,669
10,111*10^-2	400	38,06	11,475	49,535

 

По данным таблицы 2 строим характеристику трубопровода Н_тр = f(V), отложив на оси ординат величину Н_ст = 38,06 м.

Точка пересечения характеристик насоса и трубопровода определяет рабочую точку А. Координаты рабочей точки:

 

V_A = 215 м³/ч = 0,05972 м³/с;

H_A = 42 м;

η_A = 71 %

Мощность, потребляемая насосом при его работе на трубопровод:

 

Т.к. V_A = 215 м³/ч больше заданной подачи V = 151 м³/ч, то необходимо отрегулировать работу насоса на сеть одним из способов: прикрываем задвижки на напорной линии (дросселированнием); уменьшаем частоты вращения вала рабочего колеса насоса; обрезкой рабочего колеса.

Заключение.

В ходе курсовой работы мы успешно выполнили тепловой и гидравлический расчёты. Пользуясь данными полученными в ходе расчетов, - мы подобрали необходимое тепловое оборудование (вертикальный шестиходовой кожухотрубчатый теплообменник типа СМ, насос СМ-150-125-400а/4 и др.). Что в итоге пригодилось нам для выбора нужной конструкции и экономически целесообразного режима эксплуатации теплообменного аппарата для нагревания воды в бойлерной.

 

Список используемой литературы

1. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Учебное пособие для вузов/Под редакцией чл. – корр. АН СССР П.Г. Романкова. – 10-е издание, переработанное и дополненное –Л.: Химия, 1987. – 576 с.

 

2. Александрова А.А., Григорьев Б.А. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара: Справочник. Рек. Гос. службой стандартных справочных данных. ГСССД Р – 776 – 98 – М.: Издательство МЭИ. 1999. – 169 с.; ил.

 

3. Лащинский А.А. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры: Справочник /А.А. Лащинский, А.Р. Толчинский; Под ред. Н.Н. Логинова. – 2-е изд., перераб. и доп. – Л.: Машиностроение, 1970. – 753с.

 

4. Насосы и насосные установки пищевых предприятий: Учеб. пособие / А.В. Логинов, М.Н. Слюсарев, А.А. Смирных. – Воронеж: ВГТА, 2001. – 226 с.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«БЕЛГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ     ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. В.Г.ШУХОВА»

Кафедра «Энергетики теплотехнологий»

 

 

Курсовая работа

По дисциплине: «Тепломассообмен»

На тему: «Теплотехнический расчет кожухотрубчатого теплообменника»

 

Выполнил: студент гр. ЭТз-

 

Принял: к.т.н., доц. Тихомирова Т.И.

 

 

Белгород 2021

Оглавление

Введение. 3

Задание на курсовое проектирование. 5

1. Тепловой расчет. 6

1.1 Определение тепловой нагрузки аппарата. 6

1.2 Определение расхода пара и его насыщенности. 7

1.3 Расчет температурного режима теплообменника. 7

1.4 Выбор теплофизических характеристик теплоносителей. 8

1.5    Ориентировочный расчет площади поверхности аппарата. Выбор конструкции аппарата и материалов для его изготовления. 9

1.6 Приближенный расчет коэффициентов теплоотдачи и коэффициента теплопередачи. 11

1.7   Уточненный расчет коэффициентов теплоотдачи. Окончательный выбор теплообменного аппарата. 13

1.8    Обозначение теплообменного аппарата. 16

2.  Гидравлический расчет. 19

2.1  Расчет гидравлических сопротивлений трубопроводов и аппаратов, включенных в них. 19

2.1.1.  Разработка трубопроводы насосной установки на участки. 19

2.1.2.  Определение геометрических характеристик участков трубопровода, скоростей и режимов движения теплоносителя в них. 20

2.1.3.  Расчет сопротивлений трубопроводов и аппаратов, включенных в них. 21

2.2  Определение требуемого напора насоса. 26

2.3  Выбор типа и марки насоса по расчетному напору и заданной подаче. 26

2.4  Построение характеристик насоса и трубопровода. Определение рабочей точки насоса. 26

Заключение. 29

Список используемой литературы.. 30

 

Введение

 

Теплообменниками называют аппараты, в которых происходит теплообмен, между рабочими средами не зависимо от их технологического или энергетического назначения (подогреватели, выпарные аппараты, концентраторы, пастеризаторы, испарители, деаэраторы, экономайзеры и др.)

    Технологическое назначение теплообменников многообразно. Обычно различаются собственно теплообменники, в которых передача тепла является основным процессом, и реакторы, в которых тепловой процесс играет вспомогательную роль.

    Классификация теплообменников возможна по различным признакам. По способу передачи тепла различают теплообменники смешения, в которых рабочие среды непосредственно соприкасаются или перемешиваются, и поверхностные теплообменники – рекуператоры, в которых тепло передается через поверхность нагрева – твердую (металлическую) стенку, разделяющую эти среды.

    По основному назначению различают подогреватели, испарители, холодильники, конденсаторы.

    В зависимости от вида рабочих сред различаются теплообменники:

    а) жидкостно – жидкостные – при теплообмене между двумя жидкими средами;

    б) парожидкостные – при теплообмене между паром и жидкостью (паровые подогреватели, конденсаторы);

    в)газожидкостные – при теплообмене между газом и жидкостью (холодильники для воздуха и др.)

    По тепловому режиму различаются теплообменники периодического действия, в которых наблюдается нестационарный тепловой процесс, и непрерывного действия с установившимся во времени процессом.

    В теплообменниках периодического действия подвергается определенная порция (загрузка) продукта. Вследствие изменения свойств продукта и его количества параметров процессов непрерывно варьируется в рабочем объеме аппарата во времени.

    В качестве теплоносителя наиболее широко применяются насыщенный или слегка перегретый водяной пар. В смесительных аппаратах пар обычно барботируют в жидкость (впуская под уровень жидкости); при этом конденсат пара смешивается с продуктом, что не всегда допустимо. В поверхностях аппарата пар конденсируется на поверхности нагрева и конденсат удаляется отдельно от продукта с помощью водоотводчиков. Водяной пар как теплоноситель обладает множеством преимуществ: легкость транспортирования по трубам и регулирования температуры, высокой интенсивностью теплоотдачи и др. Применение пара особенно выгодно при использовании принципа многократного испарения, когда выпариваемая из продуктов вода направлена в виде греющего пара в другие выпарные аппараты и подогреватели.

    Обогрев горячей водой и жидкостями также имеет широкое применение и выгоден при вторичном использовании тепла, конденсаторов и жидкостей (продуктов), которые по ходу технологического процесса нагреваются до высокой температуры. В сравнении с паром жидкостный подогрев менее интенсивен и отличается переменой, снижением температурой теплоносителя. Однако регулирование процесса и транспорт жидкостей наивысшей температуры ограничен 150-160оС, что соответствует давлению (5-7)*105 Па

    В отдельных случаях (в консервной промышленности) применяются масляный обогрев, который позволяет при атмосферном давлении достигнуть температуры до 200 оС.

    Широко применяется обогрев горячими газами и воздухом (до 300-1000 оС) в печах, сушильных установках. Газовый обогрев отличается рядом недостатков: Трудностью регулирования и транспортирования теплоносителя, малая интенсивность теплообмена, загрязнение поверхности аппаратуры (при использовании топочных газов) и др. Однако в ряде случаев он является единственно возможным (например, в воздушных сушилках).

    При любом использовании теплоносителей и хладагентов тепловые и массообменные процессы подчинены основному – технологическому процессу производства, ради которого создаются теплообменные аппараты и установки. По – этому решение задач оптимизации теплообмена подчинено условиям рационального технологического процесса.

    Для нагревания и охлаждения жидких сред разработаны теплообменники разнообразных конструкций.

    Конкретная задача нагревателя охлаждения данного продукта может быть решена с помощью различных теплообменников. Конструкцию теплообменника следует выбирать, исходя из следующих основных требований, предъявляемых к теплообменным аппаратам:

    Важнейшим требованием является соответственно аппарат технологическому процессу обработки данного продукта; это достигается при таких условиях: поддержание необходимой температуры процессы, обеспечение возможности регулирования температурного режима; соответствие рабочих скоростей продукта минимально необходимой продолжительности пребывания продукта в аппарате; выбор материала аппарата в соответствии с химическими свойствами продукта; соответствие аппарата давлениям обоих сред.

    Вторым требованием является высокая эффективность и экономичность работы аппарата, связанные с повышением интенсивности теплообмена и одновременно с соблюдением оптимальных гидравлических сопротивлений аппарата.

    Эти основные требования должны быть положены в основу конструирования и выбора теплообменных аппаратов. При этом самое большое значение имеет обеспечение заданного технологического процесса в аппарате.

Задание на курсовое проектирование.

Выбрать конструкцию и экономически целесообразный режим эксплуатации теплообменного аппарата для нагревания воды в бойлерной установке.

    Вода насосом 1 перекачивается из резистора 2 через грязевик 3 и бойлер 4 по трубопроводам к потребителю (рис. 6.14-Х). В бойлере вода нагревается от отбора турбины давления p_т он t₁ до t₂. Расход воды V, давление у потребителей p_к.

    Вода подается по трубопроводу длиной l = l _вс+ l _н. Длина трубопровода от насоса до теплообменника l _н, высота всасывания l _вс, максимальная высота подъема воды Н.

Рис. 1

Исходные данные:

№ варианта	V, м^3/с	H, м	lвс, м	lн, м	l`н, м	pт, МПа	t1, ^оС	t2, ^оС	pк, МПа	hвс, м
6	0,042	26	8	890	21	0,26	52	81	0,14	1,9

 

 

Тепловой расчет.

Целью теплового расчета является определение необходимой площади теплопередающей поверхности, соответствующей при заданных температурах оптимальным гидродинамическим условиям процесса, и выбора стандартизированного теплообменника.

Из основного уравнения теплопередачи:

(1)

где F – площадь теплопередающей поверхности, м² ;

Q – тепловая нагрузка аппарата, Вт;

К – коэффициент теплопередачи, Вт/(м² К);

 – средний температурный напор, К.

 

Определение тепловой нагрузки аппарата.

В рассматриваемой задаче нагревание воды осуществляется в вертикальном кожухотрубчатом теплообменнике теплотой конденсирующегося водяного пара, поэтому тепловую нагрузку определим по формуле:

где G_хол= V p – массовый расход, кг/с;

С_хол – средняя удельная теплоемкость воды, Дж/(кг К);

t_к, t_н – конечная и начальная температура воды, К;

Х=1,05 – коэффициент, учитывающий потери теплоты в окружающую среду.

Средняя температуры воды:

t_ср2

Этому значению температуры соответствуют:

С_хол=4185 Дж/(кг К),

P = 980,5 (кг/м³).

G_хол=0,042 980,5=41,181 кг/с,

тогда Q = 41,181 4185 .