Промышленные способы подвода и отвода тепла

Модуль 9. Промышленные способы подвода и отвода тепла»

Методические указания

Многие химико-технологические процессы различных химических производств сопровождаются подводом и отводом теплоты. От правильности расчетов и ведения этих процессов зависит производительность оборудования и качество выпускаемой продукции. При изучении темы необходимо хорошо усвоить общие характеристики твердого, жидкого и газообразного топлива, процессы горения. Необходимо ознакомиться с основными видами теплоносителей, способами нагревания и охлаждения, основными конструкциями теплообменных аппаратов. При этом особое внимание уделить изучению новых конструкций теплообменных аппаратов.

Следует также изучить методику расчета теплообменников, основные правила эксплуатации теплообменной аппаратуры.

Особо обратить внимание на методику определения тепловых потоков, коэффициентов теплоотдачи и теплопередачи, выбору скорос­тей потоков жидкостей и газов.

1. ПОРЯДОК РАСЧЕТА ТЕПЛООБМЕННИКОВ

Основной характеристикой рекуперативных теплообменных аппаратов является теплопередающая поверхность, или поверхность теплообмена. От ее величины зависят геометрические размеры теплообменников, стоимость их изготовления, монтажа и эксплуатации.

Исходными данными для простейшего теплового расчета являются: расход одного из теплоносителей и температуры обоих теплоносителей на входе и на выходе из аппарата.

Расчет поверхности теплообмена состоит из следующих основных стадий.

1. Определение тепловой нагрузки аппарата, средней движущей силы и средних температур теплоносителей.

2. Определение расхода второго вещества из теплового баланса.

3. Определение ориентировочной площади поверхности теплообмена, а также выбор размеров теплообменных труб и, если возможно, расчет необходимого их количества при обеспечении заданного режима движения теплоносителей.

4. Предварительный выбор нормализованного теплообменника по принятым параметрам. Выписываются те фиксированные геометрические размеры аппарата, которые будут фигурировать в расчете (внутренний диаметр кожуха, число теплообменных труб и т. д.) Параметры, которые не будут непосредственно участвовать в расчете, можно варьировать для обеспечения расчетной поверхности теплообмена при окончательном выборе нормализованного аппарата.

5. Определение частных коэффициентов теплоотдачи для обоих теплоносителей с использованием критериальных уравнений для соответствующих тепловых процессов, режимов теплоносителей, геометрического расположения труб и т. д. Определение термических сопротивлений стенок и загрязнений со стороны горячего и холодного теплоносителей.

6. Определение общего коэффициента теплопередачи и уточнение температур стенки со стороны горячего и холодного теплоносителей. Пересчет коэффициента тепло­передачи.

7. Определение расчетной поверхности теплообмена по основному уравнению теплопередачи и окончательный выбор нормализованного теплообменника. Определение запаса поверхности теплообмена, необходимого для обеспечения длительной работы аппарата, т. к. на поверхности труб и кожуха образуются разного вида загрязнения (отложение нерастворимых осадков, накипеобразование, ржавчина и т. д.), которые снижают эффективность процесса теплообмена, уменьшая коэффициент теплопередачи.

2.. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТОВ ТЕПЛООТДАЧИ

Чаще всего в инженерной практике используются критериальные уравнения процесса теплоотдачи. При выборе критериального уравнения для определения коэффициентов теплоотдачи необходимо принимать во внимание следующее.

1. Учитывается характер теплообмена: без изменения агрегатного состояния вещества (нагревание, охлаждение), с изменением агрегатного состояния вещества (кипение, конденсация).

2. Определяется режим движения теплоносителя, за который при вынужденном движении отвечает критерий Рейнольдса.

3. Характеризуется пространство теплообменника, в котором течет теплоноситель: трубное или межтрубное.

4. Характеризуется геометрическое расположение теплообменных труб: вертикальное или горизонтальное.

5. Характеризуется наличие перемешивающих механических устройств: мешалки, пневматические устройства и т. д.

6. Характеризуется вид поверхности теплообмена: плоская, трубчатая, оребренная и т. д.

7. Характеризуется тип конструкции теплообменника: кожухотрубчатый, змеевиковый, “труба в трубе” и т. д.

3 . Гидравлические расчеты кожухотрубчатых теплообменников

Целью гидравлического расчета является определение гидравлических сопротивлений его трубного и межтрубного пространства, определение мощности насосов и газодувок, используемых для транспортировки теплоносителей через аппарат.

Без учета неизотермичности потока общее сопротивление трубного пространства

Dрт = Dр1 + z×(Dр2 + Dртт + Dр3) + Dр4 + {Dр5},

межтрубного

Dрм = Dр6 + (l/lп)×Dртм + (l/lп - 1)×Dр7 + Dр8.

Здесь учтены следующие потери давления: Dр1, Dр4 - при входе и выходе потока из распределительной камеры;  Dр2, Dр3 - при входе и выходе потока из труб;  Dр6, Dр8 - при входе и выходе потока из межтрубного пространства; Dртт, Dртм -  на трение в трубах и межтрубном пространстве; Dр5 - при повороте труб на 180о (в аппаратах типа У);  Dр7 - на огибание потоком перегородки. В этих формулах z - число ходов теплоносителя по трубам, l - длина труб, lп - расстояние между перегородками.

Потери давления в местных сопротивлениях

 Dрi = zi×(r×wi2/2), i = 1,...,8,

где r - плотность теплоносителя, wi - скорость потока в узком сечении рассматриваемого участка (ориентировочное значение условного прохода штуцера dш = 0.3×D 0.86),  zi - коэффициент местного сопротивления (даются в справочниках).

Потери на трение:

- Dртт = lт×(l/d)×(r×wт2/2), где wт - скорость потока в трубах,  

lт - коэффициент трения в трубах (64/Reт при Reт £ 2300 и 0.316/Reт0.25 при 2300< Reт <100000);  

- Dртм = lм×(r×wм2/2),

где wм - скорость потока в узком сечении межтрубного пространства, lм - коэффициент трения в межтрубном пространстве ((4+2.31×D/dн)/Reм0.28 для "шахматного" расположения труб и (5.4+1.054×D/dн)/Reм0.28 - для "коридорного").

Коэффициенты местных сопротивлений кожухотрубчатого теплообменника

Характер местных сопротивлений	ξ
Входная или выходная камера	1,5
Поворот на 180 между ходами или секциями	2,5
» » на 180 через колено в секционных аппаратах	2,0
» » на 180 около перегородки в межтрубном пространстве	1,5
Поворот на 180 в U-образной трубке	0,5
Огибание перегородок, поддерживающих трубки	0,5
Вход в межтрубное пространство	1,5
» » требное пространство и выход из него	1,0
Выход из межтрубного пространства	1,0
Круглые змееники (n –число витков)	0,5n
Поперечное омывание трубок в межтрубном пространстве (m – число рядов трубок, омываемых поперечным потоком)

Мощность, затрачиваемая на преодоление сопротивления трубного или межтрубного пространства (Dp) N = V×Dp/h

где V - объемный расход теплоносителя,  h - к. п.д. машины, создающей напор.

Гидравлические сопротивления по изучаемому траку движения теплоносителя не должны превышать допускаемые, обусловленные заданием. Низкие величины полученных сопротивлений укажут, что охладитель спроектирован недостаточно эффективным; можно получить заданное сопротивление за счет повышения скорости теплоносителя, что в свою очередь повысит коэффициент теплоотдачи и позволит уменьшить габариты аппарата.

Решение типовых задач.

Пример 1.

Необходимо охладить 1800 кг/ч этанола с удельной теплоемкостью С=2840 Дж/(кг·К) от температуры t1н=78˚С до t1k=22˚ C водой в количестве Gв=3600 кг/ч с температурой t2н=10ºC. Коэффициент теплопередачи принять К=200 Вт/(м2·К). Определить конечную температуру воды и необходимую поверхность теплообмена.

Дано: G1= 1800кг/ч С1=2840Дж/(кг·К) t1Н = 78˚С t1К = 22˚ C Gв= 3600 кг/ч t2Н=10ºC К=200 Вт/(м2·К) t2К = ? F = ?

Решение 1. Определим количество теплоты, отдаваемой от этанола: 2. Из уравнения для определения холодного теплоносителя определим конечную температуру холодной воды: Q=G1вС2(t2к-t2н) откуда где С2 – удельная теплоемкость воды, Дж/(кг·К) 3. Составим схему движения теплоносителей и определим среднюю разность температур 78ºC 22ºC 29ºC 10ºC Δtδ=78-29 Δtм=22-10=12ºC при тогда 4. Площадь поверхности, необходимую для охлаждения этанола определим из основного уравнения теплопередачи:

Пример 2.

Определить критерий Рейнольдса, толщину и скорость стекания пленки этанола при массовом расходе G=0,18кг/с по внутренней поверхности трубы размером dxδ=25x2 мм при средней температуре t=30ºC.

Дано: G = 0,18 кг/c d xδ=25x2 мм t = 30ºC среда – 100% этанол Re = ? w = ? δпл. = ?

Решение 1. Определим плотность стекания пленки (линейную плотность орошения) по уравнению где χ- смоченный периметр поверхности, [м] χ =πdвн 2. Критерий Рейнольдса определим из уравнения : где μ – динамическая вязкость этанола при t=30ºC μ30 = 1·10-3ПаС 3. Толщину пленки при стекании этанола по вертикальной стенке определим по уравнению где ρ – плотность этанола при t=30ºC2, кг/м3 ρ30=780,5 кг/м3 g – ускорение свободного падения, м/с2 4. Скорость стекания пленки по вертикальной стенке при равномерном смачивании орошаемой поверхности определяется по уравнению

Пример 3.

Определить площадь поверхности теплообмена для нагрева G=1,4 кг/с сероуглерода от температуры t1н=20ºC до температуры кипения сероуглерода t1к=46,3ºC. Температура горячего теплоносителя изменяется от температуры t2н=70ºC до t2к=25ºС. Коэффициент теплопередачи К=400. Движение теплоносителей противоточное.

Дано: G=1,4 кг/с t1Н=20ºC t1К =46,3ºC t2Н =70ºC t2К =25ºС К=400 F = ?

Решение Из уравнения теплопередачи определим площадь теплообмена по уравнению F=Q / K·∆t где Q – количество теплоты, необходимой для нагрева сероуглерода до температуры кипения, Вт. ∆ t-средняя разность температур, ºC. 1. Количество теплоты необходимой для нагрева сероуглерода до температуры кипения Q=G1·C1(t1н –t2к)=1,4·1008,32(46,3-20)=37126,3 Вт где С1- удельная теплоёмкость сероуглерода при средней температуре, Дж/(кг/·К) =1008,32 Дж/(кг·К) 2. Составим схему движения теплоносителей и определим среднюю разность температур 20ºC 25ºC 46,3ºC 70ºC ∆tм=25-20=5ºC ∆tδ=70-46=24ºC ∆tδ / ∆tм=24/5=4, 9 > 2, тогда 3. Площадь поверхности теплообмена равна: Выбираем теплообменник D=273 мм; n=42; ℓ=1.5мм; d=25x2 мм; F=4.5 м2.

Пример 4.

Определить площадь поверхности теплообмена и расход насыщенного водяного пара давлением P= 0.5 МПа для подогрева 12,3 кг/с этилацетата от температуры t1н=20ºC до температуры t1К =75 ºC. Коэффициент теплопередачи от пара к этилацетату К=350 Вт/(м2·К).

Дано: G=12,3кг/с t1н=20ºC t1К =75 ºC P= 0.5МПа К=350Вт/(м2·К) _____________ F = ? Gn = ?

Решение 1. Определим количество теплоты необходимой для подогрева этилацетата от 20ºC до 75ºС. Q=G·С(t1k-t1н)= 12,3·2015,4(75-20)=1363418,1 Вт где С – удельная теплоемкость этилацетата при средней температуре, Дж/(кг·К) tср = t1н+t1к / 2= С47,5=2015,4 Дж/(кг·К) 2. Расход насыщенного пара определим из уравнения теплового баланса Gс(t1к-t1н) = Gп·r = Q откуда кг/с где r – теплота конденсации пара при Р=0,5 Мпа 3. Из основного уравнения теплопередачи определим необходимую площадь поверхности нагрева теплообменника где ∆tср – средняя разность температур, ºС Составим температурные условия 151,1ºC 20ºC при Р=0,5 МПа 151,1 ºC 75ºC ∆tδ=151.1-20=131.1ºC ∆tм=151.1-75=76.1ºC при ∆tδ/∆tм=131,1/76,1=1,723 < 2 , следовательно Выбираем теплообменник : D=426 мм; n=121;l=6000 мм ;d=25х2 мм ;F=47 м2

4. АППАРАТЫ ТЕПЛООБМЕННЫЕ КОЖУХОТРУБЧАТЫЕ

4.1. АППАРАТЫ ТЕПЛООБМЕННЫЕ КОЖУХОТРУБЧАТЫЕ С ПЛАВАЮЩЕЙ ГОЛОВКОЙ

ТУ У 29.2-00217432-012-2002

Предназначены для нагрева и охлаждения жидких и газообразных сред в технологических процессах нефтяной, химической и газовой отраслях промышленности.   Теплообменники кожухотрубчатые многоходовые по трубному пространству, вертикальные и горизонтальные по исполнению.

Технические характеристики теплообменников

Диаметр кожуха, мм	Давление, Ру, МПа	dn, т/о труб	Число ходов	Поверхность теплообмена, м2	L,  мм	H, мм	Dy,  мм	Dy1, мм	A,  мм	A1, мм	Масса, кг, не более
3000	6000	9000
325		1,6; 2,5; 4,0	20	2	13	26	-	3960-6705	600	100	100	450	2350-5350	1550
25	10	20	-	1480
426		1,6; 2,5;  4,0; 6,3	20	2	23	49	-	3690- 6750	714-810	100	100	500-550	2500-5250	2750
25	19	38	-	2650
530		1,6; 2,5; 4,0; 6,3; 8,0	20	2	38	76	-	3835- 7400	954-1130	150	150	550-800	2200-5200	4430
25	31	62	-	4270
630	600	1,6; 2,5; 4,0; 6,3; 8,0	20	2 4	-	117 107	176 160	6900- 10800	106-1300	200 150	200	600-1000	5100-8100	6720
6700
25	2 4	-	96 86	144 129	200 150	200	6500
6480
	800	1,6; 2,5; 4,0; 6,3; 8,0	20	2 4	-	212 197	318 295	7465- 11000	1060-1300	250 200	250	700-1250	5100-7200	14250
14150
25	2 4	-	170 157	255 235	250 200	250	13850
13710
	1000	1,6; 2,5; 4,0; 6,3	20	2 4	-	346 330	519 495	7615- 11250	1558-1860	300 200	300	750-1330	5000-7200	23000
22850
25	2 4	-	284 267	426 400	300 200	300	23050
22800
	1200	1,6; 2,5; 4,0; 6,3	20	2 4	-	514 494	771 741	7655- 11400	1780-1900	300 250	300	820-1400	4760-7760	35500
35400
25	2 4	-	426 403	635 604	300 250	300	35500
35400
	1400	1,6; 2,5; 4,0	20	2 4	-	715 693	1072 1040	7915- 11100	1980-2000	350 250	350	1020-1270	4660-7660	34460
34450
25	2 4	-	584 561	876 841	350 250	350	35550
35500

4.2. АППАРАТЫ ТЕПЛООБМЕННЫЕ КОЖУХОТРУБЧАТЫЕ С НЕПОДВИЖНЫМИ ТРУБНЫМИ РЕШЕТКАМИ И КОМПЕНСАТОРОМ НА КОЖУХЕ
ТУ У 00217432-012-2002

Предназначены для нагрева и охлаждения жидких и газообразных сред при температурах теплообменивающихся сред от минус 20 °С до плюс 400 °С в технологических процессах нефтяной, химической, нефтехимической и газовой промышленностей.
Условное давление 1,0 МПа (10 кгс/см2); 1,6 МПа (16 кгс/см2); 2,5 МПа (25 кгс/см2)
  Размещение отверстий под трубы в трубных решетках и перегородках по вершинам треугольников

Технические характеристики теплообменников

Диаметр кожуха, мм	Давле-ние, Ру, МПа	dn, т/о труб	Число ходов	Поверхность теплообмена, м2	L,  мм	H, мм	Dy, мм	A, мм	A1, мм	Масса, кг, не более
1000	1500	2000	3000	4000	6000	9000
159		1,6; 2,5	20	1	1	1,5	2,0	3,5	-	-	-	1400-3400	430	80	620-2620	-	265
25	-	-	2,0	3	-	-	-
273		1,6; 2,5	20	1	4	6	8,5	12,5	-	-	-	1450-6450	544	100	600-2600	-	710
25	3	5,0	6,5	10,5	-	-	-
325		1,6; 2,5	20 25	1	-	9,5 7,5	12,5 10	19 14,5	25 19,5	-	-	2200-4700	596	100	570-2600	440	800
20 25	2	-	8,5 6,5	11 9	17 13	22,5 17,5	-	-	2170-4670	745
426	400	1,0; 1,6; 2,5	20 25	1	-	-	23 17	34 26	46 35	68 52	-	2790-6790	726	150	1520-5550	445; 460; 530	1850
20 25	2	-	-	21 16	31 24	42 31	63 47	-	2720-6720	1940
	600	1,0; 1,6; 2,5	20 25	1	-	-	51 41	77 62	102 82	154 124	-	2940-6840	1060	200	1450-5450	520; 545	3510 3180
20 25	2	-	-	48 38	73 58	97 77	146 116	-	2910-6910	3740
20 25	4	-	-	44 34	66 51	88 68	132 101	-
	800	1,0; 1,6; 2,5	20 25	1	-	-	92 74	140 112	186 149	-	-	3140-7130	1254	250	1400-5450	630; 645; 650	6000-5420
20 25	2	-	-	90 71	135 106	179 142	-	-	3190-7190	6010
20 25	4	-	-	83 64	125 97	169 129	-	-
	1000	1,0; 1,6; 2,5	20 25	1	-	-	-	220 182	295 244	444 366	667 551	4170-7320	1458	300	650	760	10870
20 25	2	-	-	-	214 175	286 234	430 353	648 530	4260-7350	10830
20 25	4	-	-	-	202 163	270 218	406 329	610 494
20 25	6	-	-	-	203 160	272 214	409 322	614 486
	1200	1,0; 2,5	20 25	1	-	-	-	-	426 348	462 525	949 790	5300-7380	1662	350	3300-5300	785	13620
20 25	2	-	-	-	-	415 338	626 509	949 766	5430-10460	19660
20 25	4	-	-	-	-	396 318	596 479	897 722
20 25	6	-	-	-	-	397 316	597 476	900 716

4.3. АППАРАТЫ ТЕПЛООБМЕННЫЕ КОЖУХОТРУБЧАТЫЕ
С U - ОБРАЗНЫМ ТРУБНЫМ ПУЧКОМ

Предназначены для нагрева и охлаждения жидких и газообразных сред в технологических процессах химической, нефтехимической и газовой промышленности.
Температура теплообменивающихся сред от минус 30 °С до плюс 400 °С.
Рабочая среда - взрывоопасная, пожароопасная и среды, относящиеся к 1-4 классу опастности.
  Условное давление 1,6 МПа (16 кгс/см2); 2,5 МПа (25 кгс/см2); 4,0 МПа (40 кгс/см2).

Технические характеристики теплообменников

Диаметр кожуха, мм	Давле-ние, Ру, МПа	dn, т/о труб	Число ходов	Поверхность теплообмена, м2	L,  мм	H, мм	Dy, мм	A, мм	A1, мм	Масса, кг, не более
3000	6000	9000
325		2,5	20	2	13	26	-	3805-6550	600	100	450	2500; 5500	1250
25	10	20	-
	400	2,5	20	2	23	49	-	3940-6940	714	100	500	2500; 5500	2500
25	19	38	-
	500	2,5	20	2	43	85	-	4070-7100	954	150	550	2500; 5500	3700
25	34	66	-
	600	1,6;№ 2,5	20	2	-	120	178	7225-7290	1060	200	600	5400	5250
25	-	99
	800	1,6; 2,5; 4,0	20	2	-	224	331	7300-10550	1354	250	700	5400; 8400	12850
25	-	178
	1000	1,6; 2,5	20	2	-	383	565	7905-10960	1558	300	750	5500; 8500	17000
25	-	311
	1200	1,6; 2,5	20	2	-	564	831	8020-11100	1780	300	800 850	5400; 8400	22200
25	-	471
	1400	1,6; 2,5	20	2	-	790	1160	8350-11865	1980	350	1000	5200; 8200	31000
25	-

4.4. ТРУБНЫЕ ПУЧКИ ДЛЯ АППАРАТОВ ТЕПЛООБМЕННЫХ КОЖУХОТРУБЧАТЫХ

Трубные пучки предназначены для нагрева, охлаждения, конденсации жидких и газообразных сред в составе теплообменных аппаратов с плавающей и неподвижной трубной головкой применяемых в технологических процессах нефтеперерабатывающей, химической, нефтехимической и газовой отраслях промышленности.
Исполнение:
Труб – латунь, углеродистая сталь (сталь 10-20), жаростойкая сталь (15Х5М), нержавеющая сталь (12Х18Н10Т, 10Х17Н13М2Т). медь; Трубных решеток – углеродистая сталь, биметалл (сталь + латунь), жаростойкая сталь (15Х5М), нержавеющая сталь (12Х18Н10Т, 10Х17Н13М2Т), медь.

Технические характеристики

Значение	Размер
Диаметр корпуса, мм	325 - 1800
Давление, кгс/см2	16 - 83
Длина теплообменных труб, мм	3000 - 1200
Диаметр теплообменных труб, мм	20; 25
Поверхность теплообмена, м2	9,4 - 2000

Обозначение при заказе аппарата теплообменного кожухотрубчатого:

1 - Диаметр кожуха;
2 - По назначению:
  Т - теплообменник;
  Х - холодильник;
  К - конденсаторы;
  И - испарители
3 - По конструкции:
  Н - с неподвижными трубными решетками;
  К - с температурным компенсатором на кожухе;
  П - с плавающей головкой;
  У - с U-образными трубами;
  ПК - с плавающей головкой и компенсатором на кожухе
4 - Условное давление в трубах, кгс/см2;
5 - Условное давление в кожухе, кгс/см2;
6 - Исполнение по материалу;
7 - Исполнение по температурному пределу:
  Н – низкотемпературное от минус 21 до минус 30 °С;
  О – обыкновенное от минус 20 до плюс 200 °С;
  С – среднее свыше 200 до 300 °С;
  В – высокотемпературное свыше 300 до 400 °С
8 - Диаметр теплообменной трубы, мм;
9 - Длина труб, м;
10 - Схема размещения т/о труб в трубных решетках;
11 - Схема размещения т/о труб в трубных решетках;
12 - В - вертикалый;
  Г - горизонтальный

http://www. chimmash. /teplo_st. htm