Кожухотрубчатый теплообменник

 

Министерство образования  Российской Федерации

Пермский Государственный Технический Университет

Кафедра МАПП

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Курсовая работа на тему:

 

Кожухотрубчатый

 теплообменник

 

 

 

 

 

 

Выполнил: студент гр. ХТТ-01-1

Костарев В.А.

Проверил преподаватель: Долганов В.Л.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пермь, 2004

Задание

 

Рассчитать и запроектировать  кожухотрубчатый теплообменник  для конденсации перегретого  пара по следующим основным данным:

• начальная температура пара 130⁰С
• отвод конденсата на 40⁰С ниже температуры конденсации
• расход пара 20 т/ч
• охлаждение проводится оборотной водой

План

Введение

Теплообменные аппараты являются составной  частью практически всех технологических установок на нефтеперерабатывающих и нефтехимических заводах. Теплообменные аппараты используют для нагрева, испарения, конденсации, охлаждения, кристаллизации, плавления и затвердевания участвующих в процессе продуктов, а также как парогенераторы или котлы-утилизаторы.

Среды, используемые для подвода  или отвода, тепла называются теплоносителями и хладоагентами. В качестве теплоносителей могут быть применены нагретые газообразные, жидкие или твёрдые вещества. Водяной пар как теплоноситель используется главным образом в насыщенном состоянии – как высокого давления, так и отработанный от паровых машин и насосов.

Кожухотрубчатые теплообменники изготовляют  с поверхностью теплообмены 11-350 м² для работы под давлением 2-25 атм. Трубные пучки выполняют из стальных трубок диаметром 25 или 38 мм и длиной 3-6 м. Теплообменники этого типа экономичны и имеют минимальное число соединений на прокладках. Основным недостатком таких аппаратов является невозможность механической очистки межтрубного пространства

По способу монтажа различают  вертикальные, горизонтальные и наклонные  теплообменные аппараты. Вертикальные теплообменники занимают меньше места, но они менее удобны при очистке. На нефтеперерабатывающих заводах наибольшее распространение получили горизонтальные теплообменники.

Тепловой баланс кожухотрубчатого теплообменника

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В межтрубном пространстве находится насыщенный пар, в трубном – оборотная вода (как более грязное вещество). Движение фаз – противоток.

 

Тепловая нагрузка:

 

- расход пара (по заданию )

- удельная теплота парообразования (из табл. LVI [1] )

- теплоёмкость конденсата (по табл. XXXIX [1] при )

- теплоёмкость пара (по табл. XXXIX [1] при )

 - температура насыщенного пара

- температура конденсации пара

 - температура конденсата

 

Расход оборотной воды:

, где

- теплоёмкость оборотной воды (по табл. XXXIX [1] при )

- температура на выходе из  теплообменника (для оборотной воды 30⁰С)

- температура на входе в  теплообменник (для оборотной воды 50⁰С)

Определяем  из теплового баланса:

 

Средняя движущая сила :

 

Определяем из теплового баланса:

 

Средняя движущая сила :

 

Средняя движущая сила :

 

Подбор коэффициентов  теплоотдачи и расчёт площади  теплообменника

Задаёмся коэффициентом  К₁:

(по табл. 4.8 [1])

 

Площадь теплообмена F₁:

 

Задаёмся коэффициентом  К₂:

(по табл. 4.8 [1])

 

Площадь теплообмена F₂:

 

Задаёмся коэффициентом  К₃:

(по табл. 4.8 [1])

 

Площадь теплообмена F₃:

 

Общая площадь теплообмена:

 

Выбираем по ГОСТ 15119-79 теплообменник (из табл. XXXIV [1]):

Конденсатор КН:

• S=338м²
• (количество ходов)
• d_{внутренний}=1200мм,
• (общее число труб)
• число трубок на 1 ход = 545
• трубы

 

1 часть теплообмена. Охлаждение  паров НП

Рассчитываем параметры  для трубного пространства (оборотная вода)

Критерий Рейнольдса:

- количество ходов

- количество труб

- диаметр эквивалентный ( )

- вязкость воды (по табл. XXXIX [1]: для 50⁰С )

 

Критерий Прандтля:

 , где

- теплопроводность воды (по табл. XXXIX [1]: для 50⁰С )

Критерий Nu:

Отношение принимаем  за единицу, т.к. разница между температурами стенки min:

(из примера со стр. 33 [2])

Расчет проведён для всех процессов с оборотной водой, т.к. в процессе теплообмена в малом интервале температур вода практически не изменяет физические свойства.

 

Ищём  :

 – коэффициент теплоотдачи для воды

 – определяющий линейный  размер ( ), м

Рассчитываем параметры  для межтрубного пространства (насыщенный пар)

Критерий Рейнольдса:

- расход пара, (по условию )

– наружный диаметр трубок ( )

- проходное сечение межтрубного  пространства (по табл. II.3 [2] )

- вязкость пара (по рис VI для 115⁰С )

 

Критерий Прандтля:

 , где

- удельная теплоёмкость пара,

- теплопроводность пара (по табл. XXXIX [1]: для 115⁰С )

 

Критерий Nu (для 2300<R<1000):

 

Ищём  :

 – коэффициент теплоотдачи  для пара

 – определяющий линейный размер ( ), м

 

Находим расчётный  коэффициент  :

, где

- загрязнение стенок со стороны конденсата (по табл. XXXI [1] )

- загрязнение стенок со стороны оборотной воды (по табл. XXXI [1] )

- толщина трубок, м

- теплопроводность материала стали (по табл. XXVIII )

Находим расчетную  площадь теплообмена для охлаждения пара :

 
2 часть теплообмена.  Конденсация паров

Рассчитываем параметры  для трубного пространства (оборотная вода)

Критерий Рейнольдса:

- количество ходов

- количество труб

- диаметр эквивалентный ( )

- вязкость воды (по табл. XXXIX [1]: для 40⁰С )

Критерий Прандтля:

, где 

- теплопроводность воды (по табл. XXXIX [1]: для 40⁰С )

Критерий Nu:

Аналогично принимает  отношение за единицу (расчёт и пояснение выше)

 

Ищём  :

 – коэффициент теплоотдачи для воды

 – определяющий линейный  размер ( ), м

Рассчитываем параметры для межтрубного пространства (конденсат)

 (формула для горизонтальной труб), где:

- коэффициент  (при )

– длина трубок, м

– число трубок

– расход пара, (по условию )

 – теплопроводность пара ( по табл. XXXIX [1]: )

– вязкость пара (по рис VI [1] )

 

Находим расчётный  коэффициент  :

, где

- загрязнение стенок со стороны конденсата (по табл. XXXI [1] )

- загрязнение стенок со стороны оборотной воды (по табл. XXXI [1] )

- толщина трубок, м

- теплопроводность материала стали (по табл. XXVIII )

 

Находим расчетную  площадь теплообмена для охлаждения пара :

 

3 часть теплообмена. Охлаждение  конденсата

Рассчитываем параметры  для трубного пространства (оборотная вода)

Критерий Рейнольдса:

- количество ходов

- количество труб

- диаметр эквивалентный ( )

- вязкость воды (по табл. XXXIX [1]: для 30⁰С )

 

Критерий Прандтля:

 , где

- теплопроводность воды (по табл. XXXIX [1]: для 30⁰С )

 

Критерий Nu:

Аналогично принимает  отношение за единицу (расчёт и пояснение  выше)

 

Ищём  :

 – коэффициент теплоотдачи для воды

 – определяющий линейный  размер ( ), м

Рассчитываем параметры  для межтрубного пространства (конденсат)

Критерий Рейнольдса:

- расход пара, (по условию )

– наружный диаметр трубок ( )

- проходное сечение межтрубного  пространства (по табл. II.3 [2] )

- вязкость пара (по рис VI для 115⁰С )

 

Критерий Прандтля:

 , где

- удельная теплоёмкость пара,

- теплопроводность пара (по табл. XXXIX [1]: для 80⁰С )

 

Критерий Nu:

Отношение принимаем  за единицу, т.к. разница между температурами  стенки min:

(из примера со стр. 33 [2])

 

Ищём  :

 – коэффициент теплоотдачи  для пара

 – определяющий линейный  размер ( ), м

 

Находим расчётный  коэффициент :

, где

- загрязнение стенок со стороны конденсата (по табл. XXXI [1] )

- загрязнение стенок со стороны оборотной воды (по табл. XXXI [1] )

- толщина трубок, м

- теплопроводность материала стали (по табл. XXVIII )

 

Находим расчетную  площадь теплообмена для охлаждения пара :

Суммарная площадь теплообмена:

 

Запас по теплообмену:

 

Масса аппарата (по табл. II.10 [2]) = 8700 кг

Гидравлический расчёт кожухотрубчатого теплообменника

Расчёт гидравлического  сопротивления для трубного пространства           (оборотная вода)

Скорость движения воды в трубах:

, где

- расход оборотной воды

- диаметр трубки, м

- плотность воды (по табл. XXXIX [1] при )

- количество труб

- число ходов 

 

Коэффициент трения:

, где

- относительная шероховатость труб

 

Скорость воды в штуцерах:

, где

- диаметр условного прохода штуцеров (по табл. II.8 [2] )

 

Гидравлическое сопротивление воды в трубном пространстве:

Расчёт гидравлического  сопротивления для межтрубного  пространства      (перегретый пар)

Число рядов труб, омываемых  потоком в межтрубном пространстве:

 

Число сегментных перегородок:

(по табл. II.9 [2] при ):

 

Скорость потока в  штуцерах:

, где

- диаметр условного прохода штуцеров к кожуху (по табл. II.8 [2] )

- плотность пара (по табл. LVI при )

Скорость потока в наиболее узком сечении межтрубного пространства: