всякое / taranova то и расчет

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Тюменский государственный нефтегазовый университет»

Л. В. Таранова

ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ И МЕТОДЫ ИХ РАСЧЕТА

Рекомендовано УМО РАЕ по классическому университетскому и техническому образованию в качестве учебного пособия для студентов высших

учебных заведений, обучающихся по специальностям: 240801 «Машины и аппараты химических производств», 240401 «Химическая технология органических веществ»

2-е издание, переработанное и дополненное

Тюмень

ТюмГНГУ

2012

1.2.1.Классификация теплообменных аппаратов …………. 18

1.2.2.Аппараты с поверхностью теплообмена,

2.2.3.Порядок механического расчета ……………………... 70

2.3.Расчет пластинчатых теплообменников ……………………. 72

2.3.1.Порядок теплового расчета …………………………... 72

3

2.5.3.Порядок механического расчета ……………………... 106

3.Правила оформления курсовых проектов ……………………….. 109

3.1. Общие положения …………………………………………… 109

3.2.Структура и содержание разделов расчетно-пояснительной записки …………………………………………………………….. 110

3.3.Требования к оформлению расчетно-пояснительной

записки …………………………………………………………….. 112 3.4. Требования к оформлению графической части курсовых проектов …………………………………………………………… 118

5.2.Пример расчета кожухотрубчатого испарителя……………. 140

5.3.Пример расчета пластинчатого теплообменника………….. 149

5.4.Пример расчета спирального теплообменника……………. 154

5.5.Примеры расчета аппаратов воздушного охлаждения……. 160

4

ВВЕДЕНИЕ

Дисциплина «Машины и аппараты химических производств» является одной из завершающих подготовку инженеров по специальности 240801 «Машины и аппараты химических производств». Программой курса предусмотрено выполнение курсового проекта.

Дисциплиной предусмотрено изучение конструкций типового оборудования химической технологии, в частности аппаратам нефтегазопереработки и нефтехимии, и освоение методик их расчета. В настоящем учебном пособии эти вопросы рассматриваются применительно к теплообменным аппаратам, являющимся наиболее распространенным оборудованием на любом химическом предприятии.

Впособии рассмотрены основные вопросы теории тепловых процессов и аппаратов для их осуществления; а также подход к комплексному расчету аппаратов применительно к курсу «Машины и аппараты химических производств». При разработке пособия учтено, что в процессе подготовки инженеров химиков-механиков данному курсу предшествуют дисциплины «Процессы и аппараты химической технологии» и «Конструирование и расчет элементов оборудования», где рассматриваются отдельные элементы расчета процессов и узлов аппаратов.

Учебное пособие содержит следующие разделы: краткая теория; методики расчета аппаратов; справочные материалы; варианты заданий для контрольных работ и курсовых проектов и правила их оформления.

Втеоретическом блоке рассмотрена краткая теория по тепловым процессам; конструкции и принцип действия теплообменников различных типов; приведены их эскизы и трехмерные модели; рассмотрены общие

вопросы расчета теплообменной аппаратуры; приведен перечень литературы.

В разделе методик расчета представлены порядки теплового, гидравлического и механического расчета изучаемых разновидностей аппаратов (кожухотрубчатых, пластинчатых, спиральных теплообменников, аппаратов воздушного охлаждения).

Пособие содержит всю необходимую для расчета информацию - характеристики аппаратов, свойства некоторых углеводородов, теплоносителей и твердых материалов (сталей и сплавов) и т.п.; материалы представлены в виде таблиц, номограмм, графиков.

В соответствующих разделах пособия приведены варианты заданий для контрольных работ и курсовых проектов и требования к оформлению расчетно-пояснительных записок и чертежей.

5

1. ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ И ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ

1.1. Основы тепловых процессов

Тепловые процессы изучаются в дисциплине «Процессы и аппараты химической технологии». В настоящем пособии рассмотрим основы этих процессов и некоторые основные понятия, необходимые при изучении данной темы применительно к дисциплине «Машины и аппараты химических производств».

1.Теплообмен – это перенос энергии в форме тепла между телами, имеющими различную температуру. Процессы теплообмена подразделяют на: установившиеся (стационарные) и неустановившиеся (нестационарные) для непрерывно протекающих и периодических процессов соответственно. К тепловым процессам относятся: нагревание, охлаждение, конденсация, испарение; их движущей силой является разность температур тел, участвующих в процессе теплообмена.

2. Теплоносители. Тела, участвующие в процессе теплообмена, называются теплоносителями. Теплоносители, отдающие тепло потоку с более низкой температурой, называют нагревающими агентами; теплоносители с более низкой (чем среда) температурой и воспринимающие тепло - охлаждающими агентами (хладагентами). В качестве нагревающих агентов используют водяной пар (насыщенный, перегретый), горячую воду, топочные или дымовые газы, высокотемпературные теплоносители (перегретая вода, органические жидкости и их пары, минеральные масла и др.) Для охлаждения до обычных температур (10-300С) в качестве охлаждающих агентов применяют воду (речную, озерную, аретезианскую, оборотную) и воздух; для охлаждения до низких температур используют введение льда, специальные холодильные агенты (пары низкокипящих жидкостей, сжиженные газы, холодильные рассолы), или специальные холодильные установки.

3. Способы передачи тепла. Тепло передается различными способами. К ним относятся: теплопроводность, конвекция (естественная, вынужденная) и тепловое излучение (лучистый теплообмен).

Теплопроводность – перенос тепла вследствие беспорядочного теплового движения микрочастиц, соприкасающихся друг с другом; является основным способом передачи тепла для твердых тел.

6

Конвекция – перенос тепла вследствие движения и перемещения макроскопических объемов жидкости или газа; различают естественную (или свободную) и вынужденную (принудительную) конвекцию.

Тепловое излучение – процесс распространения электромагнитных колебаний, обусловленный тепловым движением атомов или молекул излучающего тела.

В реальных условиях тепло передается не каким-либо одним способом, а комбинированным путем.

4.Теплоотдача и теплопередача. Процесс переноса тепла от стенки

ксреде или в обратном направлении называется теплоотдачей.

Перенос тепла от более нагретой к менее нагретой жидкости через разделяющую поверхность называется теплопередачей.

5. Теплообменные аппараты. Тепловые процессы осуществляют в теплообменных аппаратах (теплообменниках). Теплообменники – аппараты, предназначенные для передачи тепла от одних веществ (теплоносителей) к другим.

Различают две основные группы теплообменных аппаратов:

1)поверхностные теплообменники – перенос тепла происходит через разделяющую поверхность теплообмена (стенку);

2)теплообменники смешения - тепло передается от одной среды к другой при непосредственном их соприкосновении.

Наиболее часто используются поверхностные теплообменники; к ним относятся: трубчатые (кожухотрубчатые, «труба в трубе», погружные змеевиковые, оросительные, аппараты воздушного охлаждения), аппараты

споверхностью теплообмена, выполненной из листового материала (пластинчатые, поверхность теплообмена которых образована

гофрированными пластинами, и спиральные с поверхностью теплообмена, образованной свернутыми в спираль стальными лентами).

Основные элементы кожухотрубчатых теплообменников: пучок труб, закрепленных в трубных решетках, кожух, распределительные камеры, крышки, перегородки, присоединительные штуцера.

Более подробно конструкции теплообменных аппаратов и принцип их действия рассмотрен в п.1.2.

7

6.Расчет теплообменной аппаратуры. Расчет теплообменников включает:

-определение теплового потока (тепловой нагрузки аппарата), т.е. расчет количества тепла (Q, Вт), передаваемого в единицу времени (или за одну операцию) от одного теплоносителя к другому; тепловой поток

определяется путем составления и решения тепловых балансов;

-нахождение поверхности теплообмена аппарата (F,м2),

обеспечивающей передачу требуемого количества тепла; значения F

находят из основного уравнения теплопередачи;

-выбор стандартизованного теплообменного аппарата по ГОСТ или ТУ с использованием справочной литературы;

-проведение гидравлического расчета аппарата с целью определения потерь давления при движении потоков;

-проведение механического (прочностного) расчета теплообменника. Основы расчета теплообменников приведены в п.1.3 настоящего

пособия.

7.Тепловой поток, тепловой баланс.

Тепловой поток (Q, Вт) – показывает количество тепла, передаваемое в единицу времени (за одну операцию) от одного теплоносителя к другому.

Тепловой баланс – тепло (Q1), отдаваемое нагретым теплоносителем затрачивается на нагрев холодного потока (Q2) и потери тепла (QП) в окружающую среду

Потери тепла в окружающую среду невысоки, поэтому в расчетах аппаратов принимают

8

где c – теплоемкость вещества (Дж/кг . град);

tН, tК – температуры теплоносителя на входе и на выходе из аппарата.

8. Основное уравнение теплопередачи.

Основное уравнение теплопередачи формулируется следующим образом: количество тепла, передаваемое от более нагретого к более холодному теплоносителю, пропорционально поверхности теплообмена (F), среднему температурному напору (∆tср) и, для периодических процессов - времени проведение процесса (τ):

Средний температурный напор (∆tср, 0С) – средняя разность температур между теплоносителями на концах аппарата.

Коэффициент пропорциональности (К, Вт/м2.град) называется

коэффициентом теплопередачи; коэффициент теплопередачи показывает какое количество тепла переходит в 1 сек. от более нагретого к менее нагретому теплоносителю через поверхность теплообмена 1 м2 при средней разности температур между потоками 1 градус.

Поверхность теплообмена (F, м2) – обеспечивает передачу требуемого количества тепла; определяется из основного уравнения теплопередачи.

9. Передача тепла путем теплопроводности.

Основным законом передачи тепла теплопроводностью является закон Фурье: количество тепла (dQ), передаваемое посредством теплопроводности через элемент поверхности (dF), перпендикулярный тепловому потоку, за время (d τ) прямо пропорционально температурному градиенту (dt/dn), поверхности (dF) и времени (τ). Закон Фурье записывается в виде:

где λ – коэффициент теплопроводности (Вт/м.град),

показывающий какое количества тепла проходит вследствие теплопроводности в единицу времени через единицу поверхности теплообмена при падении температуры на 1 градус на единицу длины нормали к изотермической поверхности.

Величина λ зависит от природы вещества, его структуры, температуры и др. факторов. Наибольшей теплопроводностью обладают металлы, наименьшей – газы.

9

Теплопроводность плоской стенки при установившемся процессе теплообмена для периодических и непрерывных процессов определяется из уравнений

Q = - λ. (t ст1 – tст2 ).F. τ / δ; и Q = - λ. (t ст1 – tст2 ).F/ δ (1.6)

где tст1 и tст2 – температуры наружных поверхностей стенки (поверхности теплообмена) со стороны одного и другого потока (оС);

δ – толщина стенки, м.

При расчете теплопроводности многослойной стенки учитывают толщину и теплопроводность каждого слоя.

10. Передача тепла путем конвекции (конвективный теплообмен).

Механизм конвективного теплообмена сложен. Для расчетов используют уравнение достаточно простого вида, известное под названием

закон теплоотдачи или закон охлаждения Ньютона, согласно которому количество тепла dQ, отдаваемое за время dτ поверхностью

стенки dF, имеющей температуру tст, жидкости с температурой tж, прямо пропорционально dF и разности температур (tст – tж)

dQ = α. dF. (tст – tж). dτ – для перидических процессов

dQ = α. dF. (tст – tж) – для непрерывных процессов.

В интегральном виде применительно к непрерывным процессам уравнение принимает вид:

Коэффициент пропорциональности (α, Вт/м2.град) называется коэффициентом теплоотдачи; коэффициент теплоотдачи показывает, какое количество тепла передается от 1 м2 стенки жидкости в течение 1 сек. при разности температур между стенкой и жидкостью в 1 градус.

Коэффициент теплоотдачи зависит от следующих факторов: от скорости жидкости (w), ее плотности (ρ), вязкости (µ); от тепловых свойств жидкости – удельной теплоемкости (с), теплопроводности (λ), коэффициента объемного расширения (β); от геометрических параметров (длины – l и диаметра труб аппарата – d); от шероховатости стенки трубы

(ε):

α = f (w, ρ, µ, с, λ, l, d, β, ε)

10