Пособие по проектированию Издательство тпу

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение высшего

профессионального образования

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

В.Р.Риффель, В.В.Чернышов, Г.В.Сухов

ПРОЕКТИРОВАНИЕ КОЖУХОТРУБЧАТОГО ТЕПЛООБМЕННИКА

Пособие по проектированию

Издательство ТПУ

Томск – 2007

УДК 66.02 (076.1)

Процессы и аппараты химической технологии.

Основы теории, технологический, конструктивный и гидравлический расчеты кожухотрубчатого теплообменника. Учебное пособие для студентов Химико-Технологического факультета ТПУ, Томск:

Изд-во ТПУ, 2007.- 84с.

П – 441

В пособии изложены основные положения теории и расчета кожухотрубчатых теплообменных аппаратов. Приведены основные конструкции аппаратов и их элементов, а также стандартизированные конструктивные размеры, методики основных размеров.

Предназначено для студентов всех специальностей ХТФ.

УДК 66.06 (076.1)

Рекомендовано к печати Редакционно-издательским отделом Томского Политехнического Университета

Рецензенты:

СОДЕРЖАНИЕ

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ…………………………………………………….4

2. КОЖУХОТРУБЧАТЫЕ ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ…………7

3. ОБЩАЯ СХЕМА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО РАСЧЕТА

ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ…………………………………..12

3.1 Определение тепловой нагрузки аппарата………………………...12

3.2 Определение движущей силы процесса теплопередачи………….14

3.3 Определение средних температур теплоносителей………………17

3.4 Расчет коэффициента теплопередачи……………………………...18

3.5 Уравнения для расчета коэффициентов теплоотдачи…………….20

3.6 Определение температур стенок…………………………………...24

3.7 Возможные упрощения при расчете коэффициентов теплопередачи по критериальным уравнениям…………………...26

4. МЕТОДИКА ТЕПЛОВОГО РАСЧЕТА……………………………….27

5. РАСЧЕТ ТЕПЛОВОЙ ИЗОЛЯЦИИ…………………………………...27

6. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕННИКОВ……………28

6.1 Расчет потребляемой мощности…………………………………...29

6.2 Расчет объемной производительности (подачи)………………….30

6.3 Расчет гидравлического сопротивления аппарата………………..30

6.3.1 Трубное пространство………………………………………….30

6.3.2 Межтрубное пространство…………………………………….33

6.4 Порядок подбора насоса (вентилятора)…………………………..34

7. КОНСТРУКТИВНО-МЕХАНИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ…………………..34

7.1 Расчет и подбор штуцеров………………………………………….35

7.2 Обечайка теплообменного аппарата……………………………….37

7.2.1 Расчет обечаек, работающих под внутренним давлением…..39

7.2.1.1 Расчетное давление………………………………………..40

7.2.1.2 Расчет допускаемого напряжения………………………..41

7.2.1.3 Расчет прибавки к номинальным расчетным толщинам.42

7.3 Днище теплообменного аппарата…………………………………46

7.3.1Расчет эллиптических днищ, работающих под внутренним давлением……………………………………………………….49

7.4 Расчет трубных решеток…………………………………………...50

7.4.1 Плоские круглые трубные решетки…………………………..52

7.4.2 Расчет трубных решеток в аппаратах по конструктивной схеме I………………………………………………………….53

7.4.3 Расчет закрепления труб в трубных решетках………………56

7.5 Расчет опор аппаратов……………………………………………..59

РЕЗЮМЕ…………………………………………………………………..65

Литература……………………………………………………………..66

ПРИЛОЖЕНИЕ…………………………………………………………...67

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Перенос энергии в форме тепла, происходящий между телами, имею­щими различную температуру, называется теплообменом. Дви­жущей силой любого процесса теплообмена является разность температур более нагретого и менее нагретого тел, при наличии которой тепло само­произвольно, в соответствии со вторым законом термодинамики, перехо­дит от более нагретого к менее нагретому телу. Теплообмен между телами представляет собой обмен энергией между молекулами, ато­мами и свободными электронами; в результате теплообмена интенсив­ность движения частиц более нагретого тела снижается, а менее нагре­того – возрастает.

Тела, участвующие в теплообмене, называются теплоносите­лями.

Теплопередача - наука о процессах распространения тепла. Законы теплопередачи лежат в основе тепловых процессов — нагревания, охлаждения, конденсации паров, выпаривания — и имеют большое значение для проведения многих массообменных (процессы перегонки, сушки и др.), а также реакционных процессов химической технологии, протекающих с подводом или отводом тепла.

Различают три принципиально различных элементарных способа распространения тепла: теплопроводность, конвекцию и тепловое излу­чение.

Теплопроводность представляет собой перенос тепла вслед­ствие беспорядочного (теплового) движения микрочастиц, непосредствен­но соприкасающихся друг с другом. Это движение может быть либо дви­жением самих молекул (газы, капельные жидкости), либо колебанием атомов (в кристаллической решетке твердых тел), или диффузией свобод­ных электронов (в металлах). В твердых телах теплопроводность является обычно основным видом распространения тепла.

Конвекцией называется перенос тепла вследствие движения и перемешивания макроскопических объемов газа или жидкости.

Перенос тепла возможен в условиях естественной, или сво­бодной, конвекции, обусловленной разностью плотностей в различ­ных точках объема жидкости (газа), возникающей вследствие разности температур в этих точках или в условиях вынужденной конвек­ции при принудительном движении всего объема жидкости, например в случае перемешивания ее мешалкой.

Тепловое излучение — это процесс распространения электромагнитных колебаний с различной длиной волн, обусловленный тепловым движением атомов или молекул излучающего тела. Все тела способны излучать энергию, которая поглощается другими телами и снова превращается в тепло. Таким образом, осуществляется лучистый теплообмен; он складывается из процессов лучеиспускания и лучепоглащения.

В реальных условиях тепло передается не каким-либо одним из указанных выше способов, а комбинированным путем. Например, при теплообмене между твердой стенкой и газовой средой тепло передается одновременно конвекцией, теплопроводностью и излучением. Перенос тепла от стенки к газообразной (жидкой) среде или в обратном направлении называется теплоотдачей.

В процессе теплопередачи переносу тепла конвекцией сопутствуют теплопроводность и теплообмен излучением. Однако для конкретных условий преобладающим обычно является один из видов распространения тепла.

В непрерывно действующих аппаратах температуры в различных точках не изменяются во времени и протекающие процессы теплообмена являются установившимися (стационарными). В периодически действующих аппаратах, где температуры меняются во времени (при нагревании или охлаждении), осуществляются неустановившиеся, или нестационарные, процессы теплообмена.

В промышленности теплообмен между рабочими телами (теплоносителями) происходит в специально сконструированных аппаратах, которые называются теплообменниками. Теплообменные аппараты широко распространены в современных химических производствах и имеют весьма многообразное назначение. Вместе с тем, теплообменные аппараты должны отвечать общим требованиям: обладать высокой тепловой производительностью и экономичностью в работе; обеспечивать заданные технологические условия процесса; быть просты по конструкции, сравнительно недороги по стоимости; компактны; обладать современным техническим дизайном; иметь длительный срок эксплуатации; соответствовать нормам СНИП (санитарным нормам и правилам) и ведомственным правилам Госгортехнадзора. Особые требования предъявляются к обеспечению надежности работы аппаратов, возможности автоматического регулирования режимно-технологических параметров и аварийного их отключения. При проектировании всегда следует придерживаться следующего правила: чем более сложен аппарат по конструкции, тем менее он надежен в работе, т.е. при наличии достаточно большого числа компонующих элементов выход из строя какого-либо одного из них приводит к выходу из строя всего аппарата в целом.

Наибольшее распространение в химической промышленности получили теплообменные аппараты рекуперативного типа. В аппаратах этого типа теплообмен между горячим и холодным теплоносителями осуществляется через разделяющую их перегородку (стенку). В самом общем виде процесс теплопередачи между теплоносителями через стенку достаточно наглядно иллюстрируется следующей схемой

Рис. 1.1 Условная схема процесса теплопередачи

Основные уравнения, характеризующие процесс теплообмена для установившегося режима:

1. Теплоотдача от горячего теплоносителя к стенке:

(1.1)

2. Передача теплоты теплопроводностью через стенку (например, через однослойную плоскую стенку):

(1.2)

3. Теплоотдача от стенки к холодному теплоносителю:

(1.3)

4. Теплопередача от горячего теплоносителя к холодному:

(1.4)

Расчет теплообменной аппаратуры включает:

1. Определение теплового потока (тепловой нагрузки аппарата), т. е. количества тепла Q которое должно быть передано за определенное время (в непрерывно действующих аппаратах за 1 сек. или за 1 ч, в периодически действующих — за одну операцию) от одного теплоносителя к другому. Тепловой поток вычисляется путем составления и решения тепловых балансов.

2. Определение поверхности теплообмена F аппарата, обеспечивающей передачу требуемого количества тепла в заданное время. Величина поверхности теплообмена определяется скоростью теплопередачи, зависящей от механизма передачи тепла — теплопроводностью, конвекцией, излучением и их сочетанием друг с другом.

Поверхность теплообмена может быть определена следующим образом:

(1.5)

Следовательно, чтобы рассчитать необходимую поверхность теплообмена нужно определить тепловую нагрузку аппарата, движущую силу процесса и коэффициент теплопередачи.