Кетат Л.В., Балашов В.А., Аристова Ю.В. (сост.) Расчет теплообменного аппарата
Подождите немного. Документ загружается.
11
2
2.31.3
1
11
1
α
λ
δ
α
++++
=
rr
К
, (13)
где α
1
и α
2
- значения коэффициентов теплопередачи со стороны горячего
и холодного теплоносителей. Их значения определяются с помощью
критериальных уравнений. Эти уравнения для различных видов
теплообмена и для разных теплообменных поверхностей приводятся в
[2, глава 3; 4, глава 4].
δ и λ – толщина стенки трубы и теплопроводность материала трубы;
r
3.1
и r
3.2
- термические сопротивления загрязнений на поверхности
теплообмена со стороны горячего и холодного теплоносителей,
рекомендуемые значения которых можно найти в [2, Табл. XXVI; 4, Табл.
XXXI; 5, Табл. 2.2].
Уравнение массового расхода теплоносителя для трубного пучка имеет
вид
4/
2
ndG
в
⋅⋅⋅⋅=
ρυπ
, (14)
где d
в
– внутренний диаметр труб;
υ – скорость течения теплоносителя в трубах;
ρ – плотность теплоносителя;
n – число труб в пучке.
Это уравнение позволяет определить число труб одного хода как
ρυπ
⋅⋅⋅
=
2
4
в
d
G
n
, (15)
или скорость течения теплоносителя в трубах как
nd
G
в
⋅⋅⋅
=
ρπ
υ
2
4
, (16)
При выполнении тепловых расчетов, кроме рассмотренных
параметров теплообменного процесса требуется знать средние
температуры теплоносителей и температуры поверхностей стенки трубы
со стороны горячего и холодного теплоносителей.
Средние температуры теплоносителей определяются следующим
образом: для теплоносителя с меньшим изменением температуры средняя
температура определяется как полусумма его начальной и конечной
температур
12
2
.
КН
мср
ТТ
Т
+
=
, (17)
а для теплоносителя с большим изменением температуры как
... срмсрбср
ТТТ
∆
±
=
, (18)
где знак «плюс» принимается, если определяется средняя температура для
горячего теплоносителя и «минус» - если для холодного.
Если агрегатное состояние теплоносителя изменяется, то в качестве
его средней температуры принимается температура его фазового
изменения. Так, например, если горячим теплоносителем является
конденсирующийся пар, то
.1. кипбср
ТТ
=
и
сркипмср
ТТТ
∆
−
=
1.
(19)
Значения температур на поверхностях труб не могут быть заданы
заранее, так как они зависят от величины коэффициентов теплоотдачи, для
определения которых в свою очередь и необходимо знать эти
температуры. При выполнении инженерных расчетов теплообменных
аппаратов значения этих температур можно определить методом
последовательных приближений. Сущность этого метода заключается в
том, что первоначально (в первом приближении) задаются
ориентировочно значением этих температур, вычисляют с помощью
критериальных уравнений значения коэффициентов теплоотдачи при этих
температурах стенки и определяют величину коэффициента
теплопередачи, на основании которого проверяют значения
предварительно заданных температур на поверхностях стенки. В случае
недостаточно удовлетворительного совпадения принятых и вычисленных
значений температур, принимают новые значения температур стенки,
скорректировав их с учетом полученных результатов. Для вновь принятых
температур стенки указанный расчет снова повторяют (второе
приближение) и так далее. Последовательно проводимые указанным
образом расчеты (приближения) проводят до тех пор, пока расхождение
принятых и полученных расчетном значении температур не будут
отличаться более чем на 5%. Число приближений может быть существенно
сокращено, если для определения температур на поверхностях стенки
воспользоваться графическим методом, заключающимся в построении так
называемой нагрузочной характеристики теплообменного аппарата,
процедура построения которой изложена в [8, Лаб. раб. № 13].
13
4. Тепловой расчет теплообменного аппарата
4.1 Порядок теплового расчета при подборе стандартного
теплообменного аппарата
Общий подход к решению задачи о подборе стандартного
теплообменного аппарата для условий его работы, определенных заданием
для курсовой работы, заключается в следующем.
Первоначально выполняется предварительный расчет, в результате
которого определяется приближенно требуемая поверхность теплообмена
и число труб одного хода. На основании этих данных по нормативно-
технической документации для рассматриваемого вида теплообменного
аппарата ориентировочно определяют его стандартную конструкцию,
которая по своим параметрам в наибольшей степени близка к их
значениям, полученным в результате предварительного расчета. После
этого для выбранной стандартной конструкции теплообменного аппарата
выполняется поверочный расчет, в ходе которого определяется точное
значение поверхности теплообмена для заданных условий работы
теплообменного аппарата и значения диаметра, длины и числа труб одного
хода и числа ходов, указанных в нормативно-технической документации
для выбранной стандартной конструкции. Рассчитанная таким образом
поверхность теплообмена должна быть несколько меньше поверхности
подобранного стандартного теплообменного аппарата. Оптимальным
считается это отклонение в пределах 10-15%.
Если окажется, что данным, полученным в результате
предварительного расчета, удовлетворяет не одна, а две или три
конструкции стандартного теплообменного аппарата, которые, имея
близкие значения числа труб одного хода и поверхностей теплообмена,
отличаются по таким параметрам, как диаметр и длина труб или число
ходов, то следует для каждой из этого числа стандартной конструкции
выполнить поверочный расчет и принять ту из них, для которой разность
стандартной и расчетной поверхностей теплообмена наиболее близки к их
оптимальному значению.
14
4.2 Приближенный расчет и выбор стандартной конструкции
теплообменного аппарата
Приближенный расчет теплообменного аппарата рекомендуется
выполнять в следующей последовательности.
1. Определить тип теплообменного аппарата (Н, К, П или У) и области
подачи теплоносителей (который из них следует подать в трубное или
межтрубное пространство). При этом следует руководствоваться
следующими соображениями: коррозионный теплоноситель следует
направлять в трубное пространство, так как в случае коррозионного износа
труб не требуется заменять кожух, но это возможно только в аппаратах
типа П и У.
Если один из теплоносителей загрязнен или образует нерастворимые
отложения на поверхности теплообмена, то целесообразно направить его с
той стороны теплообмена, которая доступна для механической чистки. Это
может быть наружная и внутренняя поверхности труб в теплообменных
аппаратах типа П; внутренняя в аппаратах типа Н и К; наружная в
аппаратах типа У.
В теплообменных аппаратах типа Н и К для механической чистки от
загрязнений доступно только трубное пространство, поэтому в трубное
пространство аппаратов такого типа подают тот теплоноситель, который
при нагревании образует на поверхности теплообмена нерастворимые
отложения (например, воду или водные растворы), а в межтрубное
пространство подают чистую жидкость или конденсирующийся пар.
При подборе конструкции конденсатора (горизонтальный или
вертикальный, количество труб в пучке и др.) следует иметь ввиду, что для
улучшения теплоотдачи со стороны конденсирующегося пара необходимо,
чтобы конструкцией конденсатора обеспечивался хороший отвод
конденсата с теплообменной поверхности.
2. Определить для конденсатора температуру охлаждающей воды на
выходе Т
2К
, приняв ее не выше 45÷50ºС во избежание значительного
образования накипи, а для нагревателя по величине давления насыщенного
греющего водяного пара его температуру насыщения Т
1нас
. Построить
температурный график для теплообменного аппарата и определить
среднюю движущую силу процесса теплопередачи ∆Т
ср
(уравнения (10) и
(11)) и средние температуры теплоносителей (уравнения (17) – (19)).
15
3. Определить для конденсатора массовый расход воды G
2
, а для
нагревателя – массовый расход греющего насыщенного водяного пара D
1
(уравнения (6) и (7)).
4. Определить число труб одного хода n (уравнение (15)). Для этого
необходимо задаться скоростью течения теплоносителя в трубах и
внутренним диаметром труб. При выполнении приближенного расчета эту
скорость следует принять такой, при которой режим ее течения в трубах
будет турбулентным. Турбулизация потока способствует увеличению
коэффициента теплоотдачи, однако следует иметь ввиду, что увеличение
скорости течения теплоносителя будет увеличивать гидравлическое
сопротивление трубного пучка. Можно принять, что таким условиям
должно соответствовать развитое турбулентное течение в области чисел
Рейнольдса порядка Re = 10000 ÷ 15000. Тогда скорость течения
теплоносителя может быть определена из выражения для числа
Рейнольдса как
ρ
µ
υ
⋅
⋅
=
в
d
Re
,
где µ и ρ - вязкость и плотность теплоносителя.
Величину числа Рейнольдса следует принять из указанного выше
интервала его значений. Внутренний диаметр труб d
в
может быть принят
для одного из стандартных диаметров труб, применяемых для
изготовления трубных пучков теплообменных аппаратов (Ø 20×2,
Ø 25×1,5, Ø 25×2 мм).
2. Определить поверхность теплообмена (уравнение (9)),
предварительно определив тепловой расход (уравнение (5)). При
выполнении приближенного расчета значение коэффициента
теплопередачи принимают ориентировочно. Рекомендуемые для этого
значения коэффициента теплопередачи приводятся в [2, Табл. 3.4; 4, Табл.
4.8; 5, Табл. 2.1; 6, Табл. 6.2]. Приближенно значение коэффициента
теплопередачи можно определить и с помощью уравнения (13),
воспользовавшись приближенными значениями коэффициентов
теплоотдачи, величина которых для различных условий теплообмена
приведена в [2, Табл. 3.3; 4, Табл. 4.7; 6, Табл. 6.3]. Если для
приближенного расчета принимается минимальное значение
коэффициента теплопередачи, то найденная поверхность теплообмена
16
будет наибольшей для рассматриваемых условий работы теплообменного
аппарата.
6. Имея найденные значения поверхности теплообмена и числа труб
одного хода и зная функциональное назначение и тип теплообменного
аппарата, по нормативно-технической документации для аппаратов этого
типа и назначения подбирают конструкцию стандартного теплообменного
аппарата, параметры которого по поверхности теплообмена по числу труб
одного хода в наибольшей степени близки к расчетным.
Необходимые сведения для подбора стандартных конструкций
теплообменных аппаратов ТН, ТК, ТП, КН, КК, КП можно найти в
пособиях [4, Табл. 4.12, Табл. XXXIV; 5, Табл. 2.3, 2.4, 2.9].
4.3 Поверочный расчет выбранной стандартной конструкции
теплообменного аппарата
При выполнении поверочного расчета остаются прежними
полученные при выполнении приближенного расчета значения расхода
греющего водяного пара D
1
для нагревателя и охлаждающей воды G
2
для
конденсатора, температура греющего водяного пара Т
1нас
для нагревателя и
конечная температура охлаждающей воды Т
2к
для конденсатора, и
тепловой расход через поверхность теплообмена q
2
, а значения диаметра и
длины труб, числа труб одного хода и числа ходов принимаются из
нормативно-технической документации для поверяемого стандартного
теплообменного аппарата.
Для поверочного расчета может быть рекомендована следующая
последовательность вычислительных действий:
1. для подобранного многоходового теплообменного аппарата
уточнить значение средней движущей силы процесса
теплопередачи (уравнение (12)) и средней температуры
холодного теплоносителя (уравнение (19)), протекающего в
трубах.
2. Определить скорость течения теплоносителя в трубах
выбранного стандартного теплообменного аппарата
(уравнение (16)).
3. Определить значения коэффициентов теплоотдачи для
теплоносителей со стороны межтрубного и трубного
17
пространства и рассчитать значение коэффициента
теплопередачи (уравнение (13)).
4. Определить расчетное значение поверхности теплообмена
(уравнение (9)) и сопоставить ее с поверхностью теплообмена
подобранного стандартного теплообменного аппарата. Эта
поверхность, как было показано в разделе 5.1, должна быть
примерно на 10÷15% меньше поверхности подобранного
стандартного аппарата. Если это отклонение будет
значительно отличаться от указанного диапазона в ту или
иную сторону, то с учетом анализа полученных результатов
следует подобрать по нормативно-технической документации
другую стандартную конструкцию теплообменного аппарата и
выполнить для него процедуру поверочного расчета.
5. Требования к оформлению пояснительной записки
Пояснительная записка должна содержать:
- титульный лист;
- аннотацию;
- задание для выполнения курсовой работы;
- содержание;
- текстовую часть и расчеты, необходимые для выполнения курсовой
работы;
- описание конструкции и чертеж выбранного теплообменного
аппарата.
Содержание должно быть развернутым с указанием разделов и
подразделов текста пояснительной записки, отражающих логическую
последовательность выбора пути решения и вычислительных процедур,
необходимых для выполнения задания по курсовой работе. Разделом
может быть законченная и имеющая самостоятельное значение часть
пояснительной записки (теплофизические свойства теплоносителей,
температурный режим теплообменного аппарата, приближенный расчет,
обоснование выбора конструкции и т.д.), подразделом может быть
законченная часть вычислительных процедур внутри раздела (определение
расхода теплоносителя, определение коэффициента теплоотдачи для
горячего теплоносителя и т.д.).
18
Содержание должно отражать понимание студентом алгоритма
последовательности действий при выполнении поставленной расчетной
задачи и умение структурировать материал выполненной работы в
соответствии с этим алгоритмом в форме, удобной для его анализа и
проверки (в производственной деятельности работа, выполненная
специалистом по заказу, подлежит проверке экспертом заказчика).
Пояснительная записка оформляется на листах формата А4 с
выделением разделов, подразделов, полей и отступов для четкого
зрительного восприятия текста. Текст должен быть выполнен
каллиграфически аккуратно и иметь ссылки на использованные
литературные источники. Формулы должны иметь необходимые
разъяснения об их назначении и содержании входящих в их состав
величин. Принимаемые численные значения расчетных величин должны
иметь ссылки на источник информации. Представление выполняемых по
формулам расчетных процедур должно быть удобным для проверки.
Образцом представления выполняемых с помощью формул расчетов
может служить оформление примеров решения задач по тепловым
процессам [4, глава 4].
В разделе пояснительной записки, предназначенном для описания
конструкции выбранного теплообменного аппарата, следует обосновать
выбор типа конструкции аппарата (Н, К, П, У), пояснить устройство и
принцип его работы, назначение основных конструктивных элементов.
Чертеж аппарата выполняется на листе формата А3. Образцом выполнения
чертежа могут служить чертежи общего вида теплообменных аппаратов,
изображенных на рисунках в пособиях [3, 5]. На чертеже должны быть
проставлены основные размеры аппарата по нормативно-технической
документации. Чертеж должен иметь спецификацию и таблицу штуцеров,
как это показано на чертеже общего вида конденсатора [5, Приложение
10]. Информацию об устройстве и назначении основных конструктивных
элементов кожухотрубчатых теплообменников можно найти в [3, глава 1].
19
6. Рекомендуемая литература
1. Тимонин А.С. Основы конструирования и расчета химико-
технологического оборудования. Справочник, Том 2, Изд. 2-е,
переработанное и дополненное. Изд-во Н. Бочкаревой, Калуга, 2002.
1025 с.
2. Романков П.Г., Фролов В.Ф., Флисюк О.М., Курочкина М.И. Методы
расчета процессов и аппаратов химической технологии (примеры и
задачи). С-П.: Химия, 1993. 495 с.
3. Поникаров И.И., Перелыгин О.А., Доронин В.Н., Гайнуллин М.Г.
Машины и аппараты химических производств. М.: Машиностроение,
1989. 368 с.
4. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры по курсу процессов и
аппаратов химической технологии. Л.: Химия, 1987. 575 с.
5. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по
проектированию / Под ред. Дытнерского Ю.И. и др. М.: Химия, 1986.
496 с.
6. Машины и аппараты химических производств. Примеры и задачи / Под
ред. Соколова В.Н. и др. Л.: Машиностроение, 1982. 384 с.
7. Стандартные кожухотрубчатые теплообменные аппараты общего
назначения. Каталог. Издание второе, исправленное и дополненное.
ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, М.: 1978.
8. Учебное пособие по лабораторному курсу «Процессы и аппараты
химических производств» / Под ред. Тябина Н.В. и др. Волгоград: 1973.
265 с.
20
Методические указания к курсовой работе
по дисциплине «Процессы и аппараты химической технологии»
направления 240100.62 «Химическая технология и биотехнология»
Разработали: Леонид Вадимович Кетат
Вячеслав Александрович Балашов
Юлия Валерьевна Аристова
Темплан 2010 г., поз. № 9.
Подписано в печать 23.12.10. Формат 60×84 1/16.
Бумага офсетная. Гарнитура Таймс. Печать офсетная.
Усл. печ. л. 1,16. Тираж 10 экз. Заказ
Волгоградский государственный технический университет
400131 Волгоград, просп. В. И. Ленина, 28., корп. 1.
Отпечатано в типографии ИУНЛ
Волгоградского государственного технического университета.
400131 Волгоград, пр. В. И. Ленина, корп. 7.