Расчет кожухотрубчатого теплообменника для подогрева воздуха

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ 

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО

 ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО  ОБРАЗОВАНИЯ

САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 

Кафедра «Химическая технология и промышленная экология» 
 
 
 
 
 

КУРСОВОЙ  ПРОЕКТ

по дисциплине «Процессы и аппараты химической технологии» 
 

РАСЧЕТ  КОЖУХОТРУБЧАТОГО ТЕПЛООБМЕННИКА

ДЛЯ ПОДОГРЕВА  ВОЗДУХА 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Выполнил: Студент IV-ХТ-2 

                                         Югзов С.В. 

     Проверил: к.т.н., доцент

     А.А. Скороход 

 
 
 
 
 

Самара 2011

    Содержание

 

Введение                                                                                                                       3 

1.      Описание технологической схемы установки                                    5

2.      Описание конструкции аппарата и обоснование его выбора                         7

3.      Технологический расчет                                                 9

3.1    Определение средней разности температур          9    3.2    Определение средних температур теплоносителей                                    9

3.3    Нахождение теплофизических свойств индивидуальных компонентов        9

3.4    Определение тепловой нагрузки, расхода пара                                                10

3.5    Расчет ориентировочной поверхности теплообмена, выбор типа и        конструкции теплообменника                                                                                      11

3.6    Расчет коэффициентов теплоотдачи для трубного и межтрубного пространств                                                                                                                    12

4.      Выбор диаметра штуцеров и расчет гидравлического сопротивления трубного и межтрубного пространств                                                                         15

4.1 Расчет диаметра штуцеров                                                           15                                             4.2 Расчет гидравлического сопротивления трубного и межтрубного            пространств                                                                                                                    16

5.      Заключение                                                                                                            17

6.      Список используемой литературы                                        18 
 
 
 
 
 
 

                                                                                                                                           
 
 
 
 

    ВВЕДЕНИЕ 

    В химической промышленности широко распространены тепловые процессы - нагревание и охлаждение жидкостей и газов и конденсация паров, которые проводятся в теплообменных аппаратах. Теплообменные аппараты или просто теплообменники используются практически во всех отраслях промышленности. Их основная задача обеспечить температурный режим технологических процессов.

Кожухотрубчатый теплообменник является наиболее распространенным аппаратом в следствии компактного  размещения большой теплопередающей  поверхности в единице объема аппарата. Поверхность теплообмена  в нем образуется пучком параллельно расположенных трубок концы которых закреплены в двух трубных досках (решетках). Трубки заключены в цилиндрический кожух, приваренный к трубным доскам или соединенный с ними фланцами. К трубным решеткам крепятся на болтах распределительные головки (днища), что позволяет легко снять их и произвести чистку трубок или в случае необходимости заменить новыми. Для подачи и отвода теплообменивающихся сред в аппарате имеются штуцера. В целях предупреждения смешения сред трубки закрепляются в решетах чаще всего развальцовкой, сваркой или реже для предупреждения термических напряжений с помощью сальников.

      Преимущества  проведения процессов теплообмена  по принципу противотока, что обычно и выполняется в кожухотрубных  теплообменных аппаратах. При этом охлаждаемую среду можно направить сверху вниз, а нагреваемую на встречу ей, или наоборот. Выбор, какую среду направить в межтрубное пространство и какую внутрь трубок, решается сопоставлением ряда условий:

• среду с наименьшим значением следует направлять в трубки для увеличения скорости ее движения, а следовательно, и для увеличения ее коэффициента теплоотдачи;
• внутреннюю поверхность трубок легче чистить от загрязнений, поэтому теплоноситель, который может загрязнять теплопередающую поверхность, следует направлять в трубки;
• среду под высоким давлением целесообразно направлять в трубки, опасность разрыва которых меньше по сравнению с кожухом;
• среду с очень высокой или наоборот с низкой температурой лучше подавать в трубки для уменьшения потерь тепла в окружающую среду.

      Работу  кожухотрубных теплообменников  можно интенсифицировать, применяя трубы малого диаметра. Необходимо иметь в виду, что при уменьшении диаметра труб увеличивается гидравлическое сопротивление теплообменника.

      Наиболее  простой путь обеспечения высоких скоростей состоит в устройстве многоходовых теплообменников. Число ходов в трубном пространстве может доходить до 8 - 12. При этом часто не удается сохранить принцип противотока. Наличие смешанного тока буден несколько снижать движущую силу процесса теплопередачи, что соответственно снизит эффективность работы. С помощью перегородок увеличивается скорость движения той среды, у которой меньше значение коэффициента теплоотдачи. Следует иметь в виду, что в длинных, особенно в многоходовых, теплообменниках уменьшается смешение поступающей среды со всем ее количеством, находящемся в аппарате, и этим предупреждается возможное дополнительное уменьшение средней разности температур.

      В кожухотрубных теплообменниках  при большой разности температур между средами возникают значительные термические напряжения, особенно в момент пуска или остановки аппарата, вызванные различным удлинением трубок и кожуха под воздействием различных температур. Во избежание возникновения таких напряжений используются следующие меры:

1. Установка в корпусе аппарата линзового компрессора.
2. Установка в теплообменнике только одной трубной решетки, в которой закреплены трубки U - образной формы.
3. Устройство теплообменников с «плавающей головкой».
4. Закрепление трубок в одной из трубных решеток с помощью сальников.
5. Сальниковое соединение трубной решетки с кожухом.

Одним из наиболее часто применяемых в химической промышленности методов нагревания является обогрев конденсирующимся водяным паром. Достоинства такого обогрева следующие:

1. Пар обладает большим теплосодержанием, обусловленным теплотой конденсации.
2. Есть возможность применения мятого пара после турбин, который еще не потерял свою теплоту конденсации.
3. Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара имеет большую величину.
4. Конденсирующийся пар обеспечивает равномерность и точность обогрева, легко регулируемого изменением давления.

 
 

1. Описание технологической схемы установки. 

Схема установки утилизации теплоты дымовых  газов приведена на рисунке 1.1 [1].

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Рис. 1.1. Схема установки утилизации теплоты дымовых газов.

1-печь  перегрева водяного пара; 2- блок  водоподготовки; 3- насос; 4-котел-утилизатор; 5-воздухоподогреватель; 6-воздуходувка; 7-КТАН; 8- дымосос.

     Печь  перегрева водяного пара на установке  производства стирола предназначена для повышения температуры насыщенного водяного пара до необходимой по технологии величины.

     Источником  теплоты является реакция окисления (горения) первичного топлива. Образующиеся при горении дымовые газы отдают свою теплоту в радиационной, а затем конвективной камерах сырьевому потоку (водяному пару). Перегретый водяной пар поступает к потребителю, а продукты сгорания покидают печь, имея достаточно высокую температуру (450-5000◦С).

     Для повышения эффективности использования  теплоты первичного топлива на выходе из печи установлена утилизационная установка, состоящая из котла-утилизатора, воздухоподогревателя и КТАНа.

     Теплоносителем  в КУ являются дымовые газы, покинувшие печь. В результате протекания процесса теплообмена в котле-утилизаторе температура дымовых газов снижается от t_дг1 до t_дг2. Питательная вода поступает в КУ с блока водоподготовки, пройдя необходимую очистку от солей жесткости и деаэрацию. На выходе из котла-утилизатора образуется водяной пар (нас.). Параметры работы КУ выбираются таким образом, чтобы температура полученного пара соответствовала температуре входа в печь, так как образовавшийся поток вводится в основной поток, поступающий с ТЭЦ. За КУ установлен воздухоподогреватель, служащий для подогрева воздуха, подаваемого в топку для обеспечения процесса горения.

     После воздухоподогревателя дымовые газы поступают в контактный аппарат  с активной насадкой (КТАН), где их температура снижается от t_дг3 до температуры t_дг4. Съем теплоты дымовых газов осуществляется двумя раздельными потоками воды. Один поток поступает в непосредственный контакт, а другой через стенку змеевика.

     Перемещение продуктов сгорания осуществляется за счет дымососа, а воздуха –  за счет работы вентилятора.

     Температура водяного пара: t_вп1-на входе в печь; t_вп2-на выходе из печи.

Температура дымовых  газов: t_ух - на выходе из печи; t_дг1- на входе в КУ; t_дг2- на выходе из КУ; t_дг3 - на входе в ВП; t_дг4-на выходе из ВП; t_дг5- на входе в КТАН; t_дг6- на выходе из КТАНа. 
 
 
 
 
 
 

2.Описание конструкции аппарата и обоснование его выбора. 

По заданию необходимо провести расчёт кожухотрубчатого теплообменника для подогрева воздуха. Для расчета возьмем кожухотрубчатый теплообменник, т.к. кожухотрубчатые теплообменники достаточно просты в изготовлении, отличаются возможностью развивать большую поверхность теплообмена в одном аппарате, надежны в работе. Для подогрева воздуха используем вертикальный кожухотрубчатый конденсатор-холодильник. Выбор вертикального аппарата обусловлен сравнительно низкими капитальными затратами при установке и эксплуатации. Такой вид теплообменника будет занимать на технологической площадке значительно меньше места. Кроме того в вертикальных кожухотрубчатых теплообменниках воздух проходит по трубному пространству, которое значительно проще очистить, чем межтрубное.

На рисунке 1.2 изображен двухходовой кожухотрубчатый теплооменник:

1-распределительная камера; 2-греющая камера; 3-крышка; 4,5-фланцы.

Для подвода  и отвода рабочих сред (теплоносителей) аппарат снабжен штуцерами. Направим насыщенный водяной пар в межтрубное пространство, а воздух – в трубное. Выбираем кожухотрубчатый теплообменник с плавающей головкой, т.к. его достоинством является компенсация высоких температурных напряжений и возможность работать при высоком давлении.

1-крышка  распределительной камеры; 2-распредилительная камера; 3-кожух;

4- теплообменные  трубы; 6-штуцер; 7-крышка плавающей головки; 8-крышка кожуха.