Расчёт кожухотрубчатого теплообменника (вода-вода)

ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………… 3
1. РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА……………..…………. 6
1.1 Исходные данные…..………………………………………………….. 6
1.2 Расчёт кожухотрубчатого теплообменника…………………………. 7

Кожухотрубные теплообменники наиболее широко распространены. Это объясняется следующими их достоинствами – компактностью, невысоким расходом металла, легкостью очистки труб изнутри, надежностью в работе.
Конструкция кожухотрубного теплообменника заключается в следующем. В наружную трубу большого диаметра – кожух помещен пучок трубок. Концы трубок развальцованы в трубных решетках, чем обеспечивается герметичность межтрубного пространства. Сверху и снизу трубные решетки закрыты крышками, которые с помощью прокладок и фланцев герметично соединяются с решеткой и корпусом. При большой высоте аппараты могут устанавливаться на межэтажном перекрытии с помощью опорных лап. Первый теплоноситель проходит по трубам, а второй подается в межтрубное пространство.
Отметим, что в связи с большим объемом межтрубного пространства эта конструкция как бы предназначена для подачи туда греющего пара. При этом пар подводится в верхней части аппарата через патрубок, а конденсат отводится из нижнего сечения через патрубок, расположенный возможно ближе к трубной решетке. По трубам целесообразно направлять жидкость, так как конструкция позволяет обеспечить необходимую скорость движения жидкого теплоносителя, пропуская его по части труб, объединенных в одном пучке. По одному пучку труб жидкость совершает один ход, а по другому – второй ход и т.д., реализуя многоходовой кожухотрубный аппарат.
Для улучшения условий омывания внешней поверхности трубок паром межтрубное пространство разделяют вертикальными перегородками. Увеличение числа ходов в аппарате ведет к уменьшению живого сечения каждого хода и, следовательно, к возрастанию скорости движения жидкости в трубах. Это, в свою очередь, приводит к повышению коэффициентов теплоотдачи и теплопередачи. Однако увеличение числа ходов ведет к возрастанию гидравлических сопротивлений. На практике число ходов в аппаратах, не превышает 20. Кожухотрубные теплообменники характеризуются компактностью. В 1м3 объема аппарата поверхность теплопередачи может достигать 200 м2.
В кожухотрубчатых теплообменниках трубы жестко закреплены в трубной решетке. Вследствие разности температур между кожухом и трубами в них возникают температурные напряжения, которые могут привести к разрушению аппарата. Теплообменники с жестким креплением труб в трубной решетке надежно работают при разностях температур между корпусом и трубами 25…30 оС. Если эта разность превышает указанные пределы, применяют теплообменники с различными компенсаторами температурных удлинений.
На рисунке 1 а и б показаны теплообменники с «плавающей» головкой, в которых одна из трубных решеток не соединена с кожухом и может свободно перемещаться вдоль оси при температурных удлинениях.
На рисунке 1 в показан теплообменник с линзовым компенсатором на корпусе. Температурные деформации компенсируются осевым сжатием или расширением этого компенсатора. Такие теплообменники применяют при температурных деформациях, не превышающих 10…15 мм, и при давлении в межтрубном пространстве не выше 0,25 МПа.
В теплообменнике с сальниковым компенсатором (рисунок 1 г) одна из трубных решеток при температурных расширениях может свободно перемещаться вдоль оси. Уплотнение патрубка, по которому выводится из теплообменника теплоноситель, достигается установкой на верхнем днище сальника.
В теплообменнике с U – образными трубами (рисунок 1 д) оба конца труб закреплены в одной трубной решетке. Каждая труба может свободно удлиняться независимо от других; при этом температурные напряжения не возникают.
....

1. Определение тепловой нагрузки.
Тепловая нагрузка определяется из уравнения теплового баланса аппарата. Тогда при постоянном агрегатном состоянии теплоносителя:

где, G_1,G_2 – расходы, соответственно горячего и холодного теплоносителей, кг/с;
c_1,c_2 – средние удельные теплоёмкости теплоносителей в соответствующем интервале температур, Дж/(кг•°С);
t_1н,t_1к – начальная и конечная температура горячего теплоносителя, °С;
t_2н,t_2к – начальная и конечная температура холодного теплоносителя, °С;
η – коэффициент, учитывающий полезное использование тепла в аппарате.
Учитывая хорошую изоляцию теплообменного аппарата, принимаем η=1.

1. Определение расхода горячего теплоносителя:
...

1. РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА
1.1 Исходные данные
Рассчитать и подобрать нормализованный кожухотрубчатый теплообменник для теплообмена между двумя теплоносителями.
Горячий теплоноситель (горячая вода) охлаждается от t1н = 423 °К (150 °С) до t1к = 363 °К (90 °С).
Холодный теплоноситель (холодная вода) в количестве нагревается от t2н = 323 °К (50 °С) до t2к = 393 °К (120 °С).
Вода при средних температурах имеют следующие физико-химические характеристики (таблица 1):