6. Содержание отчета

6.1. Решить задачу, приведенную в п. 5.3, согласно выбранного варианта, численно соответствующего порядковому номеру студента по журналу на странице ПАПП.

6.2. По ходу решения задачи построить необходимые графики.

6.2. Записать вывод о проделанной практической работе.

7. Контрольные вопросы

7.1. Приведите основное уравнение теплопередачи и объясните его.

7.2. Какие вы знаете взаимные направления движения теплоносителей?

7.3. От чего зависит движущаяся сила процессов теплопередачи?

7.4. Как определить средний температурный напор?

7.5. Определите среднелогарифмическую разность температур?

7.6. Определите среднеарифметическую разность температур?

7.7. Как определить среднюю разность температур для перекрестного и смешанного токов?

7.8. Как учитывают теплопотери при нагревании жидкости или газа?

Практическое занятие № 7 и 8

Тепловой расчет кожухотрубных теплообменников.

Конструктивный расчет кожухотрубных теплообменников

1. Цель работы

Овладеть методикой конструктивного и теплового расчетов кожухотрубных теплообменников.

2. Перечень используемого оборудования

Одноходовой кожухотрубный теплообменник.

3. Перечень справочной литературы

3.1. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии.– М.: Химия, 1973.–752с. с. 262…263, 296…302.

3.2. Липатов М.Н. Процессы и аппараты пищевых производств: Учеб. для студ. вузов, обуч. по спец. 1011 “Технология и организация обществ. питания”.– М.: Экономика, 1987.–272с. с.139…141.

3.3. Стабников В.Н., Баранцев В.И. Процессы и аппараты пищевых производств. 3-е изд. перераб. и доп.– М.: Легкая и пищевая промышленность, 1983.–328с. с. 104…106, 108, 131…133.

3.4. Баранцев В.И. Сборник задач по процессам и аппаратам пищевых производств.– М.: Агропромиздат, 1985.–136с. с. 51, 55, 57…58.

4. Краткие теоретические сведения

Для теплообменников проводят проектный и проверочный расчеты. Конструктивный расчет производят при проектировании нового теплообменника, когда известны или заданы количества нагреваемого или охлаждаемого продукта и его параметры на входе в теплообменник и на выходе из него. При этом определяют необходимую поверхность теплообмена, расход теплоносителя или хладагента, геометрические размеры теплообменника заданной конструкции, его гидравлическое сопротивление и его механическую прочность.

Основное уравнение теплопередачи для установившегося процесса:

Q = K·F·Δt, (4.1)

где Q – тепловая нагрузка, Вт;

K – коэффициент теплопередачи, Вт/(м² К);

F – поверхность теплообмена, м²;

Δt – средняя (полезная) разность температур между средами, ºС.

Тепловую нагрузку в зависимости от характера процесса определяют по одной из следующих формул:

• при нагревании жидкости или газа:

Q = G·c (t₂ – t₁) х₁, (4.2)

где G – количество нагреваемой жидкости или газа, кг/с;

с – средняя теплоемкость жидкости или газа в указанном интервале температур, Дж/(кг·К);

х₁ – коэффициент, учитывающий потери тепла теплообменником в окружающую среду при нагревании;

х₁ = 1,03…1,05.

• при охлаждении жидкости или газа:

Q = G·c (t₁ – t₂) х₂, (4.3)

где х₂ – коэффициент, учитывающий потери тепла при охлаждении;

х₂ = 0,95…0,97

• при конденсации насыщенного пара или испарении кипящей жидкости:

Q = G·r·x, (4.4)

где G – количество испаряемой жидкости или конденсирующегося пара, кг/с;

r – удельная теплота конденсации (испарения), Дж/кг;

x – коэффициент, учитывающий потери тепла при испарении или конденсации.

Коэффициент теплопередачи через плоскую стенку или цилиндрическую стенку при d_вн > 0,5 d_н рассчитывают по формуле:

К = 1 / (1 / α₁ + δ₁ / λ₁ + δ₂ / λ₂ + 1 / α₂), (4.5)

где α₁ и α₂ – коэффициенты теплоотдачи с одной и с другой стороны стенки, Вт/(м² К);

δ₁ и δ₂ – толщина теплопроводящей стенки, слоя накипи и других загрязнений на них, м;

λ₁ и λ₂ – теплопроводность стенки, слоя накипи и других загрязнений на ней, Вт/(м К).

Из-за трудности учета термических сопротивлений накипи и других загрязнений коэффициент теплопередачи иногда рассчитывают по формуле:

К = φ / (1 / α₁ + δ₁ / λ₁ + 1 / α₂), (4.6)

где φ – коэффициент использования поверхности теплообмена:

• для технических расчетов принимают равным 0,65…0,85;

• для сред с интенсивным выделением осадка – 0,4…0,5.

Среднюю разность температур при установившемся теплообмене для прямотока и противотока определяют по одной из следующих формул:

• при отношении Δt_б / Δt_м > 2 определяют как среднелогарифмическую из наибольшей и наименьшей разностей температур сред:

Δt = (Δt_б – Δt_м) / [2,3 lg(Δt_б / Δt_м)], (4.7)

где Δt – средняя разность температур, ºС;

Δt_б – наибольшая разность температур сред, ºС;

Δt_м – наименьшая разность температур сред, ºС;

• при отношении Δt_б / Δt_м < 2 определяют как среднеарифметическую из наибольшей и наименьшей разностей температур сред:

Δt = 0,5(Δt_б + Δt_м), (4.8)

Из теплового расчета определяют общее число труб n диаметром d и длиной l для поверхности теплообмена F по формуле:

n = F / (π d_ср l), (4.9)

где n – общее число труб многоходового теплообменника;

F – поверхность теплообмена теплообменника, м²;

d_ср – средний диаметр трубы, м;

l – длина труб теплообменника, м;

а число труб n₁ в одном пучке (ходе) многоходового теплообменника определяют по формуле:

n₁ = 4V / (π d_вн² w), (4.10)

где n₁ – число труб;

V – объем жидкости, м³/с;

d_вн – внутренний диаметр труб, м;

w – скорость жидкости в трубах, м/с.

Число ходов в трубном пространстве теплообменника определяют по формуле:

z = n / n₁, (4.11)

где z – число ходов в трубном пространстве многоходового теплообменника.

Для определения геометрических размеров одноходового кожухотрубного теплообменника рекомендуется следующая методика расчета.

Общее число труб n размещающихся на трубной решетке по вершинам равносторонних треугольников определяют по формуле (округляется до целого большего числа):

n = 0,75(n_d² – 1) + 1, (4.12)

где n_d – число труб, размещающихся по диаметру трубной решетки (округляется до целого большего числа);

n_d = ³√4F / (3β t f), (4.13)

где F – расчетная поверхность теплопередачи, м²;

β – отношение высоты Н или длины L рабочей части теплообменника к его диаметру D;

β = 3…5

t – шаг труб, м:

• при закреплении труб развальцовкой:

t = (1,3…1,4)d_н, (4.14)

где d_н – наружный диаметр трубы, м;

• при сварке:

t = 1,25d_н, (4.15)

f – поверхность (боковая) 1 м трубы принятого диаметра, м²;

f = π d_ср·1, (4.16)

Диаметр трубной решетки или внутренний диаметр теплообменника D (в м) определяют по формуле:

D = (n_d – 1) t + 4d_н, (4.17)

Рабочая длина одной труды теплообменника определяется из формулы (4.9) или:

l = β D, (4.18)

Высота теплообменника определяется по формуле:

Н = l + 2δ + 2h, (4.19)

где Н – высота теплообменника, м;

δ – толщина трубной решетки, м:

• для стальных труб:

δ = 0,125d_н + 5 мм, (4.20)

• для медных:

δ = 0,125d_н + 10 мм, (4.21)

h – высота камеры, м;

h = 0,1…0,2 м