Банных О.П.

ОСНОВНЫЕ КОНСТРУКЦИИ И ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕННИКОВ

Санкт-Петербург

2012

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ

ФЕДЕРАЦИИ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ

Банных О.П.

ОСНОВНЫЕ КОНСТРУКЦИИ И ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕННИКОВ

Санкт-Петербург 2012

Банных О.П. Основные конструкции и тепловой расчет теплообменников. Учебное пособие. СПбНИУ ИТМО, 2012. – 42 с.

Пособие адресовано студентам, обучающимся по направлениям 223200

«Техническая физика», 241000 «Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии» и содержит сведения по выбору и расчету теплообменного оборудования.

Рекомендовано к печати Ученым советом инженерно-физического факультета, протокол №9 от 19.06.2012 года.

В 2009 году Университет стал победителем многоэтапного конкурса, в резуль-тате которого определены 12 ведущих университетов России, которым присво-ена категория «Национальный исследовательский университет». Министер-ством образования и науки Российской Федерации была утверждена программа его развития на 2009–2018 годы. В 2011 году Университет получил наименова-ние «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет ин-формационных технологий, механики и оптики»

Санкт-Петербургский национальный

исследовательский университет ин- формационных технологий, механи ки и оптики, 2012

Банных О.П., 2012

Оглавление Введение ....................................................................................................................... 5 1. Классификация теплообменных аппаратов .......................................................... 6 2. Кожухотрубчатые теплообменники ...................................................................... 6 3. Теплообменники «Труба в трубе» ....................................................................... 10 4. Пластинчатые теплообменник ............................................................................. 12 5. Спиральный теплообменник ................................................................................ 14 6. Расчет и выбор теплообменного оборудования ................................................. 15

6.1. Тепловой расчет теплообменных аппаратов ................................................ 15 6.2. Ориентировочный расчет теплообменника .................................................. 16 6.3. Подробный расчет теплообменника .............................................................. 16

7. Пример ориентировочного расчета парового подогревателя толуола ............ 18 7.1. Исходные данные для расчета ....................................................................... 18 7.2. Определение средней разности температур в теплообменнике и средней температуры толуола ............................................................................................. 18 7.3. Определение количества тепла передаваемого в подогревателе от конденсирующегося пара к толуолу ..................................................................... 18 7.4. Определение массового расхода технологического пара, необходимого для нагревания толуола .......................................................................................... 19 7.5. Определение ориентировочной площади поверхности теплообмена ....... 19

8. Пример расчета водяного холодильника раствора ацетона в этаноле ............ 19 8.1. Исходные данные для расчета ....................................................................... 19 8.2. Ориентировочный расчет и предварительный выбор теплообменника .... 20 8.2.1 Определение средней разности температур в теплообменнике и средних температур раствора и воды .................................................................................. 20 8.2.2 Определение количества тепла передаваемого в холодильнике от раствора к воде ........................................................................................................ 20 8.2.3 Определение массового расхода воды, необходимого для охлаждения раствора ................................................................................................................... 21 8.3 Определение ориентировочной площади поверхности теплообмена и площадей проходных сечений .............................................................................. 21 8.4. Выбор типа теплообменника. Проверка режимов течения теплоносителей .................................................................................................................................. 22 8.5 Определение коэффициентов теплоотдачи методом последовательных приближений (итераций) ....................................................................................... 23

9. Изображения теплообменников, используемые на коллоквиуме «Конструкции теплообменников» ........................................................................... 28 Литература ................................................................................................................. 32 ПРИЛОЖЕНИЕ ......................................................................................................... 33 ИСТОРИЯ КАФЕДРЫ ............................................................................................. 40

Введение

Теплообменная аппаратура составляет весьма значительную часть техно-логического оборудования в химической и смежных отраслях промышленно-сти. Удельный вес теплообменного оборудования составляет на предприятиях химической промышленности в среднем 15-18%, в нефтехимической и нефте-перерабатывающей промышленности – 50% [1]. Это объясняется тем, что почти все основные процессы химической технологии (выпаривание, ректификация, сушка и др.) связаны с необходимостью подвода или отвода теплоты.

Предлагаемое пособие предназначено для бакалавров, обучающихся по направлениям 223200 «Техническая физика», 241000 «Энерго- и ресурсосбере-гающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии» В ней они ознакомятся с основными конструкциями теплообменников и метода-ми их теплового расчета. В Приложении приведены размеры теплообменников, необходимые для их выбора и расчета.

5

1. Классификация теплообменных аппаратов

Теплообменные аппараты можно классифицировать по следующим при-знакам:

‒ по принципу действия: поверхностные и смесительные; ‒ по назначению: холодильники, подогреватели, конденсаторы, испарите-

ли; ‒ по направлению движения теплоносителей: прямоточные, противоточ-

ные, перекрестного тока и др. Рассмотрим более подробно классификацию теплообменных аппаратов

по принципу действия. В соответствии с этим классификационным признаком поверхностные аппараты можно подразделить на следующие типы в зависимо-сти от вида поверхности теплообмена:

‒ аппараты с трубчатой поверхностью теплообмена (кожухотрубчатые теп-лообменники, теплообменники «труба в трубе», оросительные теплооб-менники, змеевиковые теплообменники);

‒ аппараты с плоской поверхностью теплообмена (пластинчатые теплооб-менники, спиральные теплообменники, аппараты с рубашкой).

2. Кожухотрубчатые теплообменники

Кожухотрубчатые теплообменники различных конструкций – наиболее распространённый тип теплообменных аппаратов. Их устройство показано на рисунках 1 и 2 [2].

Рис. 1. Кожухотрубчатый теплообменник:

1 - кожух, 2 - крышки, 3 - теплообменные трубки, 4 - трубная решетка, 5 – фланцы,

6 – соединительное кольцо с шпильками, 7 – прокладка, 8 – крепёж

6

Рис. 2. Трубные пучки кожухотрубчатых теплообменников:

1 - трубная решетка с развальцованными трубами, 2 - перегородки в трубном пространстве,

3 - теплообменные трубки

В кожухе 1 помещается пучок теплообменных труб 3, трубы развальцо-ваны, запаяны или вварены в трубную решетку 4, кожух закрыт крышками 2, теплоносители вводятся в трубное и межтрубное пространство через штуцеры 5. В межтрубном пространстве очень часто устанавливаются поперечные пере-городки 2 (рис.2), закреплённые стяжками.

При малом расходе теплоносителя, подаваемого в трубное пространство, в крышках устанавливают перегородки 1 (рис.3 [3]) при этом теплоноситель проходит сначала по одной части труб потом по другой. На рис.3 изображен четырёхходовой теплообменник. Изготавливаются также двух и шести ходовые кожухотрубчатые теплообменники. На рис.4 [2] представлен такой теплооб-менник в сборе.

Рис. 3. Четырёхходовой теплообменник:

1– перегородки

7

Рис. 4. Шестиходовой теплообменник в сборе: 1- распределительная камера с перегородками, 2 - кожух с трубным пучком

Если разность температур теплоносителей в кожухотрубчатом теплооб-

меннике более 50 К, используют аппараты с компенсацией температурных напряжений, возникающих из-за того, что кожух и трубки претерпевают разные температурные деформации.

Рис. 5. Теплообменники с компенсаторами:

а – одноходовой теплообменник с линзовым компенсатором, б – теплообмен-ник с плавающей головкой, в – теплообменник с U-образными трубками

На рис.5а представлен одноходовой теплообменник с линзовым компен-

сатором (гибким элементом), вваренным между двумя частями кожуха; на рис.5б –теплообменник с плавающей головкой (одна из трубных решеток имеет возможность свободно перемещаться в кожухе); на рис.5в – теплообменник с U-образными трубками, имеющими возможность изменять свою длину.

8

С целью увеличения коэффициента теплоотдачи в межтрубном простран-стве теплообменные трубы делают с ребрами на наружной поверхности (рис.6 [4]).

Рис.6. Оребрённая теплообменная труба

Теплообменные трубки изготавливают также витыми, что увеличивает

турбулентность потока (рис.7 и 8 [5]) На рис.7 стрелками показано направление течения теплоносителя в межтрубном пространстве. На рисунке 8 [5] стрелкой показано течение теплоносителя по теплообменной трубе.

Рис. 7. Элемент межтрубного пространства

теплообменника с витыми трубками

Рисунок 8 - Элемент трубного пространства теплообменника с витыми трубками

9

Кожухотрубчатые теплообменники изготовляют с площадью теплообме-

на от 1 м2 до 5000 м2, с диаметром кожуха от 159 мм до 3000 мм, с длиной труб от 1000 мм до 9000 мм и диаметром теплообменных трубок 20х2 мм или 25х2 мм (см. Приложение А).

Основные преимущества кожухотрубчатых аппаратов [1]: универсаль-ность по назначению (холодильники, подогреватели жидкости или газа, а также конденсаторы и кипятильники); простота конструкции; надежность; широкий диапазон давлений и температур рабочих сред.

Недостатком кожухотрубчатых теплообменников является низкий коэф-фициент унификации (отношение числа узлов и деталей, одинаковых для всего размерного ряда, к общему числу узлов и деталей в аппарате), который состав-ляет всего 0.13. Поэтому кожухотрубчатые теплообменники мало технологич-ны в условиях производства широкого ряда типоразмеров.

3. Теплообменники «Труба в трубе»

Теплообменники «труба в трубе» или двухтрубные теплообменники (ри-сунки 9, 10, 11 [6, 7]) применяются при небольших расходах теплоносителей.

Рисунок 9 - Элемент теплообменника «труба в трубе»

Такие теплообменники представляют собой набор последовательно со-

единённых друг с другом элементов состоящих из двух труб: труба меньшего диаметра вставлена в трубу большего диаметра (рисунок 9). Поверхности теп-лопередачи таких теплообменников, как правило, не более 20 м2. Проходные сечения данных теплообменников обеспечивают высокие скорости течения теплоносителей, следовательно, высокие коэффициенты теплопередачи.

10

Рисунок 10 - Разборный теплообменник «труба в трубе»:

1- внутренняя (теплообменная) труба, 2 - наружная (кожуховая труба), 3 - кронштейн, 4 - фланец, 5 - распределительная камера

Теплообменники «труба в трубе» могут быть изготовлены как разборны-ми, так и неразборными. Неразборные теплообменники являются конструкцией жесткого типа, поэтому при разности температур теплоносителей больше 70 градусов их не используют. Разборный теплообменник (рисунок 10) состоит из внутренней (теплообменной) трубы 1, наружной (кожуховой) трубы 2, кронштейна 3, фланца 4 и распределительной камеры 5. Направление движения теплоносителя по теплообменной трубе показано красной стрелкой, в кольцевом пространстве белой и желтой.

Рисунок 11 - Теплообменник типа «труба в трубе» в сборе

Стандартные диаметры теплообменной и кожуховой трубы d=25÷157 мм

и D=38÷220 мм соответственно (см. Приложение А). Секции теплообменника «труба в трубе» обычно соединяют друг с дру-

гом в единую конструкцию (рисунок 11). Пространственная компоновка такой конструкции может быть любой, «трубу в трубе» иногда размещают вдоль сте-ны помещения и т.п. Теплообменники «труба в трубе» используют в основном для охлаждения или нагревания в системе жидкость-жидкость, когда расходы теплоносителей невелики, и она не изменяет своего агрегатного состояния. Иногда такие аппараты применяют при высоком давлении для жидких и газо-образных сред, например, в качестве конденсаторов в производстве метанола, аммиака и др. [2].

11

По сравнению с кожухотрубчатыми теплообменниками аппараты «труба в трубе» имеют меньшее гидравлическое сопротивление и, следовательно, до-пускают более высокие скорости движения теплоносителей. Однако они менее компактны и более металлоемки.

4. Пластинчатые теплообменники Пластинчатые теплообменники представляют собой аппараты, теплооб-

менная поверхность которых образована набором тонких гофрированных ме-таллических пластин. Изготавливают такие аппараты в разборном и неразбор-ном виде. Устройство разборного теплообменника представлено на рисунке 12 [8]. Аппарат состоит из теплообменных пластин разделённых прокладками, ко-торые зажимаются между неподвижной плитой 1 и подвижной 2 стяжным вин-том 7. Каркас аппарата состоит из вертикальной стойки 3 и горизонтальных штанг 4 и 5. На верхней горизонтальной штанге 4 винтом 6 крепится подвиж-ная плита. Теплоносители вводятся и выводятся через штуцера 9 на неподвиж-ной плите. На рисунке 13 [8] изображен аппарат в сборе.

Рисунок 12 - Устройство разборного пластинчатого теплообменника:

1 - неподвижная плита, 2 - подвижная плита, 3 – вертикальная стойка, 4 – верх-няя горизонтальная штанга, 5 – нижняя горизонтальная штанга, 6 – крепёжный

винт, 7 – стяжной винт, 8 – болт, 9 – штуцер

12

Рисунок 13 - Пластинчатый теплообменник в сборе Теплообменная поверхность разборных пластинчатых теплообменников

легкодоступна для очистки; монтаж и демонтаж таких аппаратов осуществляет-ся весьма быстро. Такие теплообменники применяются как холодильники и конденсаторы. Направления движения теплоносителей в пластинчатом конден-саторе показано на рисунке 14 [8].

Изготавливают пластинчатые аппараты с поверхностью теплообмена до 800 м2. Допустимые температуры теплоносителей от –30° до 180 °С, давление до 1.6 Мпа. Данный рабочий диапазон уже, чем у кожухотрубчатых теплооб-менников, это связано со свойствами прокладочных материалов для уплотнения пластин.

Рисунок 14 - Направления движения теплоносителей в пластинчатом конденсаторе

13

5. Спиральный теплообменник

В спиральном теплообменнике поверхность теплообмена образована двумя стальными лентами (рисунок 15 и рисунок 16 [9]) свёрнутыми в спираль. При этом образуются каналы прямоугольного сечения, по которым, как прави-ло, противотоком движутся теплоносители. На рисунке 15 показаны направле-ния движения теплоносителей: одно из веществ поступает в теплообменник по центру и выводится через штуцер на боковой поверхности теплообменника, другое вещество подается через боковой штуцер, а выводится через централь-ный. Спиральные теплообменники изготавливаются с поверхностью теплооб-мена 100 м2, используются при температурах 20° - 200 °С и давлении до 1 Мпа. Такие теплообменники просты в изготовлении и весьма компактны. Теплооб-менники со съёмной крышкой легко отчищаются от грязи и могут использо-ваться для теплоносителей с твёрдыми включениями (рисунок 16).

Рисунок 15 - Направление движения теплоносителей в спиральном

теплообменнике

Рисунок 16 - Спиральный теплообменник со съёмной крышкой

14

6. Расчет и выбор теплообменного оборудования Нагревание, охлаждение жидкости или газа, конденсация пара и т.п. мо-

гут быть проведены при использовании теплообменных аппаратов разных кон-струкций. Для их выбора необходимо знать площадь требуемой поверхности теплопередачи, рабочие температуры и давление теплоносителей, склонность к образованию отложений на теплопередающей поверхности, а также коррозион-ную активность и пожаровзрывоопасные свойства обменивающихся теплотой сред. Например, для обогрева куба-кипятильника ректификационной колонны при малой производительности может оказаться достаточно змеевикового ап-парата, при большой производительности потребуется иная конструкция - ко-жухотрубчатый вертикальный испаритель или испаритель с паровым простран-ством. При нагревании (охлаждении) жидкостей и газов конкурентоспособны не только аппараты различной конструкции (кожухотрубчатые, труба в трубе, пластинчатые, спиральные и пр.), отличающиеся удельной металлоемкостью, компактностью, долей унифицированных узлов и деталей и другими показате-лями, но и аппараты одного конструктивного типа. Так, конкурентоспособными могут быть кожухотрубчатые аппараты, отличающиеся диаметром кожуха или труб, числом ходов по трубам, так как в них различны коэффициенты теплоот-дачи и, теплопередачи, гидравлические сопротивления и связанные с ними рас-ходы энергии на транспортировку теплоносителей.

При расчете и моделировании теплообменной аппаратуры одной из за-дач является сопоставление нескольких вариантов оформления процесса тепло-передачи, отличающихся конструкцией аппарата, его расположением, режимом движения теплоносителей, температурным режимом. Цель расчета - выбрать лучший вариант, а при достаточно большом их числе - оптимальный.

Основные этапы расчета: выбор подлежащих сопоставлению аппаратов; выполнение для каждого из них теплового, гидравлического и экономического расчетов; анализ полученных результатов и рекомендация к использованию ап-парата, обладающего наибольшим числом преимуществ.

6.1. Тепловой расчет теплообменных аппаратов

В первичные исходные данные для расчета теплообменного аппарата

входят расходы теплоносителей, их начальные и конечные температуры. Недо-стающие величины определят из теплового баланса. Теплофизические и другие свойства теплоносителей, имеющие существенное значение для выбора и рас-чета теплообменного аппарата, предполагаются известными. Однако этих дан-ных для расчёта теплообменного аппарата недостаточно. Необходимо дополни-тельно знать его некоторые конструктивные характеристики, например, диа-метр кожуха и теплообменных труб, количество труб и ходов по трубам, рас-стояние между перегородками в межтрубном пространстве и др.

15

6.2. Ориентировочный расчет теплообменника

Ориентировочный (приближенный) расчет теплообменника включает в себя определение расхода технологического теплоносителя и определение площади поверхности теплообмена по приближенному (практическому) значе-нию коэффициента теплопередачи, взятому из справочной литературы [1, 3,10, 11]. По рассчитанной площади поверхности выбирают теплообменник (см. Приложение А). Пример такого расчета приведен ниже.

6.3. Подробный расчет теплообменника

Подробный расчет теплообменника ведется по следующей схеме. Внача-ле выполняется ориентировочный расчет. Далее определяют проходные сече-ния, задаваясь скоростью нагревающегося (или охлаждающегося) теплоносите-ля: жидкости (μ<1,5 мПа с) – не более 2-2,5 м/с; газы - не более 15-20 м/с, уме-ренно вязкие жидкости (μ=1,5 мПа c) - не более 2-2,5 м/с; сильновязкие - не бо-лее 0,5 м/с [1, 3]. По этим данным выбирают тип теплообменника или несколь-ко разных, для последующего технико-экономического сравнения. Затем опре-деляют коэффициенты теплоотдачи и коэффициент теплопередачи. Расчетные соотношения для коэффициентов теплоотдачи зависят от вида конвективного теплообмена, геометрических характеристик аппарата, физических свойств теплоносителей и режимов их движения. Определение коэффициентов теплоотдачи α1 и α2, поверхностной плотности теплового потока q ,а также температур поверхностей стенки 1.стt и 2.стt вы-полняют, используя систему уравнений:

( )( )

( )( )( )2.22222222

1.11111111

2212.22

2.1.

111.111

,,,,,,,,,,,,

ст

ст

cт

ст

ст

ст

стстст

ст

ttdwfttdwftttqqr

trttqq

tttqq

λρµαλρµααα

αα

==

∆=−==

∆=

−==

∆=−==

∑∑ (1)

где w - скорость теплоносителя, см / ; d - определяющий размер, м; µ - коэффициент динамической вязкости теплоносителя, Па с; ρ - плотность теплоносителя, 3/ мкг ; λ - коэффициент теплопроводности теплоносителя, КмВт / .

Конкретный вид функций ( )стttdwf ,,,,,, λρµα = описывается соотноше-ниями, представленными в литературе: [1, 3, 10, 11].

16

Следствием этих уравнений является уравнение теплопередачи . срtKq ∆= Заменим этим уравнением второе уравнение системы (1):

( )

( )( )( ) ,,,,,,

,,,,,,

2.22222222

1.11111111

2212.22

111.111

ст

ст

cт

ср

ст

ttdwfttdwftttqq

tKqtttqq

λρµαλρµααα

αα

==

∆=−==

∆=∆=−==

(2)

Задачу решают методом последовательных приближений (итераций). Ре-

комендуемая последовательность расчета: • соотношения для α привести к виду: при нагревании и охлаждении

( )nстA PrPr=α или ( )m

стA µµα '= ; при конденсации или кипении ntB∆=α или nqB'=α ; где А, A', B, B' – коэффициенты, состоящие

из линейных размеров – физических величин, не зависящих от тем-пературы стенки (tст.1, tст.2);

• выбрать начальные приближения tст.1 и tст.2, удовлетворяющие усло-вию: t2<tст.2<tст.1<t1;

• рассчитать α1, α2, К; • рассчитать q1, q2, q; • сопоставить величины q1, q2, q, определив расхождение ε:

qqqqqqq ),,min(),,max( 2121 −

=ε

При ε>5% выполняют расчет во втором приближении, определив новые значения tст.1 и tст.2:

(3)

222.

111.

α

αqtt

qtt

ст

ст

+=

−=

Процесс продолжают до тех пор - пока не выполнится условие ε≤5%.

Обычно требуется не более трех итераций. Большее число приближений свиде-тельствует об ошибках в алгоритме или в арифметике.

17

7. Пример ориентировочного расчета парового подогревателя

толуола

7.1. Исходные данные для расчета

Mассовый расход толуола скгGт /5= ; начальная температура толуола Ct нт

20= ; конечная температура толуола Ct кт

70= ;

давление технологического водяного пара 2/1 смкгсPизб = ; Тип теплообменника - кожухотрубный.

7.2. Определение средней разности температур в теплообменнике и средней

температуры толуола

Абсолютное давление пара равно: 2/211 смкгсPPP избатмабс =+=+= (4)

Этому давлению соответствует температура конденсации Сtконд

6.119= [10], среднюю разность температур определяют как:

6.99206.119 =−=−=∆ нткондб ttt (5)

6.49706.119 =−=−=∆ кткондм ttt (6)

8.71

6.496.99ln

6.496.99

ln=

−=

∆∆∆−∆

=∆

м

б

мбср

tt

ttt (7)

где бt∆ - большая разность температур; мt∆ - меньшая разность температур;

срt∆ - средняя разность температур. Среднюю температуру толуола рассчитывают как: Сttt сркондтср

8.478.716.119 =−=∆−= (8)

7.3. Определение количества тепла передаваемого в подогревателе от конденсирующегося пара к толуолу

Теплоёмкость толуола находят при его средней температуре

КкгДжcт /1787= [10]: Количество передаваемого тепла рассчитывают как:

ВтttcGQ кт

нттт 469200)2070(17875)( =−××=−= (9)

где: - Q количество передаваемого тепла, Вт.

18

7.4. Определение массового расхода технологического пара, необходимого

для нагревания толуола

Удельная теплота парообразования технологического пара при 2/2 смкгсPабс = равна кгДжr /102208 3×= [10].

Расход пара находится следующим образом: скг

rQGпара /215.0

102208469200

3 =×

== (10)

где параG - расход пара, скг / .

7.5. Определение ориентировочной площади поверхности теплообмена Оценку площади поверхности теплообмена выполняют с использовани-

ем приближенного значения коэффициента теплопередачи по практическим данным [10]. Для парового подогревателя бензола примем КмВтКориент

2/300= . Ориентировочная площадь поверхности теплообмена рассчитывают как:

278.218.71300

469200 мtК

QFсрориент

ориент =×

=∆

= (11)

где ориентF - ориентировочная площадь поверхности теплообмена, 2м . По каталогу выбирают теплообменник заданного типа с запасом порядка 15%.

8. Пример расчета водяного холодильника раствора ацетона в

этаноле

8.1. Исходные данные для расчета

Mассовый расход раствора скгGР /75.0= ; массовая доля ацетона в растворе кграствораацетонакгxац /1.0= ; мольная доля ацетона в растворе растворакмольацетонакмольxац /081.0= ; начальная температура раствора Ct нр

2.73= ; конечная температура раствора Ct кр

35= ; начальная температура воды Ct нв

15= ; конечная температура воды Ct кв

30= ; режим течения теплоносителей турбулентный.

19

8.2. Ориентировочный расчет и предварительный выбор теплообменника 8.2.1 Определение средней разности температур в теплообменнике и

средних температур раствора и воды

Выбираем противоточное направление течения теплоносителей, при этом:

2.43302.73 =−=∆ бt (12) 201535 =−=∆ мt (13)

16.30

202.43ln

202.43

ln=

−=

∆∆∆−∆

=∆

м

б

мбср

tt

ttt (14)

где бt∆ - большая разность температур; мt∆ - меньшая разность температур; срt∆ - средняя разность температур.

Температура воды меняется на меньшее число градусов, следовательно, её среднюю температуру определяют как среднее арифметическое:

Ctt

tнв

нвср

в5.22

23015

2=

+=

+= (15)

где ñðât средняя температура воды.

Среднюю температуру раствора рассчитывают как: Сttt в

срсррср

66.525.2216.30 =+=+∆= (16)

8.2.2 Определение количества тепла передаваемого в холодильнике от раствора к воде

Теплоёмкость раствора находят при его средней температуре [10]:

КкгДжсxcxc этацацацр /28102870)1.01(22601.0)1( =×−+×=−+= (17) где рc - теплоёмкость раствора, КкгДж / ;

КкгДжcац /2260= - теплоёмкость ацетона при средней температуре рас-твора ( Сt рср

66.52= ) [10];

КкгДжcэт /2870= - теплоёмкость этанола при средней температуре рас-твора ( Сt рср

66.52= ) [10]. Количество передаваемого тепла рассчитывают как:

ВтttcGQ кр

нррр 80500)352.73(281075.0)( =−××=−= (18)

где: - Q количество передаваемого тепла, Вт.

20

8.2.3 Определение массового расхода воды, необходимого для охлаждения раствора

Теплоёмкость воды КкгДжcв /4190= при её средней температуре

( Ct срв5.22= ) [10].

Расход воды находится следующим образом: скг

ttcQG н

вквв

в /28.1)1530(4190

80500)(

=−×

=−

= (19)

где вG - расход воды, скг / .

8.3 Определение ориентировочной площади поверхности теплообмена и площадей проходных сечений

Оценку площади поверхности теплообмена выполняют с использовани-

ем приближенного значения коэффициента теплопередачи по практическим данным [10]. Для водяного холодильника примем КмВтКориент

2/500= . Ориен-тировочная площадь поверхности теплообмена рассчитывают как:

234.516.30500

80500 мtК

QFсрориент

ориент =×

=∆

= (20)

где ориентF - ориентировочная площадь поверхности теплообмена, 2м . Оценку площадей проходных сечений производят по рекомендуемым

скоростям течения маловязких жидкостей, примем скорость для раствора смWр /8.0= , для воды смWв /8.0= .

Плотность раствора находят при его средней температуре [10], как: 3/8.755

756)1.01(

7541.0

111 мкгxx

эт

ац

ац

ацр =

−+

=−

+=

ρρ

ρ (21)

где рρ - плотность раствора 3/ мкг

3/754 мкгац =ρ - плотность ацетона при средней температуре раствора ( Сt рср

66.52= ) [10]; 3/756 мкгэт =ρ - плотность этанола при средней температуре раствора

( Сt рср66.52= ) [10].

Проходное сечение для раствора находят как:

231024.18.7558.0

75.0 мwG

Sрр

рр

−×=×

==ρ

(22)

где рS - площадь проходного сечения для раствора, 2м . Плотность воды 3/1000 мкгв =ρ при её средней температуре ( Ct срв

5.22= ) [10]. Проходное сечение для воды рассчитывают как:

21

23106.110008.028.1 м

wGS

вв

вв

−×=×

==ρ

(23)

где вS - площадь проходного сечения для воды, 2м .

8.4. Выбор типа теплообменника. Проверка режимов течения теплоносителей

По найденным: ориентировочной площади поверхности теплообменника

( 234.5 мFориент = ) и проходным сечениям для раствора и воды ( 231024.1 мS р−×= и

23106.1 мSв−×= ) выбираем теплообменник «труба в трубе» [ Приложение А] со

следующими параметрами: диаметр теплообменной трубы мм448× , диаметр кожуховой трубы мм476× , площадь проходного сечения внутри теплообмен-ной трубы 24106.12 м−× , площадь проходного сечения кольцевого пространства

24102.18 м−× , материал - сталь. Воду направляем в теплообменную трубу, раствор в кольцевое про-

странство. Скорость воды определяют как: см

SGw

вв

вв /016.1

1000106.1228.1

4 =××

== −ρ (24)

где 24106.12 мS в−×= - площадь проходного сечения для воды.

Скорость раствора рассчитывают аналогично:

смSG

wрр

рр /545.0

8.755102.1875.04 =××

== −ρ (25)

где 24102.18 мS р−×= - площадь проходного сечения для раствора.

Полученные скорости не выходят за допустимые пределы. Для оценки режимов течения воды и раствора необходимо определить

коэффициенты динамической вязкости. Коэффициент динамической вязкости раствора может быть найден по

следующей формуле [10]:

сПа

xx

р

этацацацр

4

44

1008.6

)106.6lg()081.01()104.2lg(081.0lg)1(lglg−

−−

×=

××−+××=−+=

µ

µµµ (26)

где рµ - коэффициент динамической вязкости раствора, Па с; СПаац

4104.2 −×=µ - коэффициент динамической вязкости ацетона при средней температуре раствора ( Сt рср

66.52= ) [10]; СПаэт

4106.6 −×=µ - коэффициент динамической вязкости этанола при средней температуре раствора ( Сt рср

66.52= ) [10]. Коэффициент динамической вязкости воды СПав

4109.9 −×=µ при её средней температуре ( Ct срв

5.22= ) [10]. Критерий Рейнольдса для раствора в кольцевом пространстве:

22

135301008.6

)048.0004.02076.0(8.755545.0Re 4 =×

−×−××== −

р

кольцаэрр

р

dwµ

ρ (27)

где рRe - критерий Рейнольдса для раствора; 048.0004.02076.0 −×−=кольца

эd - эквивалентный диаметр кольцевого сече-ния [10], м.

Критерий Рейнольдса для воды во внутренней трубе:

41050109.9

)004.02048.0(1000016.1Re 4 =×

×−××== −

в

внэвв

вdw

µρ

(28)

Рассчитанные значения критериев Рейнольдса для раствора и для воды больше 10000, следовательно, режим течения теплоносителей в выбранном теплообменнике – турбулентный (соответствует заданию).

8.5 Определение коэффициентов теплоотдачи методом последовательных

приближений (итераций)

Коэффициенты теплоотдачи для раствора и воды определяют из крите-риальной зависимости, полученной для теплоотдачи в прямых трубах и каналах при турбулентном течении теплоносителей [10].

25.043.08.0

PrPr

PrRe021.0

=

ст

Nu (29)

где λ

α эdNu = - критерий Нуссельта;

α - искомый коэффициент теплоотдачи, КмВт 2/ ; λ - коэффициент теплопроводности, определяемый при средней температуре теплоносителя;

λ

µ=

cPr - критерий Прандтля, параметры теплоносителя находят при средней

температуре теплоносителя;

ст

стстст

cλµ

=Pr - критерий Прандтля, для которого параметры теплоносителя опре-

деляют при температуре стенки. Теплопроводность раствора при средней температуре определяют как

[10]:

КмВт

xxxx ацацацэтацэтацацр

/155.0)1.01(1.0)154.0156.0(72.0)1.01(156.01.0154.0

)1()(72,0)1(

=−−×−−×+×=

=−−−−+= λλλλλ (30)

где рλ - теплопроводность раствора КмВт / ; КмВтац /154.0=λ - теплопроводность ацетона при средней температуре раство-

ра ( Сt рср66.52= ) [10];

КмВтэт /156.0=λ - теплопроводность этанола при средней температуре раство-ра ( Сt рср

66.52= ) [10].

23

Зная теплопроводность, вязкость и теплоёмкость при средней темпера-туре, можно определить критерий Прандтля для раствора.

02.11155.0

1008.62810Pr4

=××

==−

р

ррр

cλµ

(32)

где рPr - критерий Прандтля для раствора. Аналогично рассчитывают критерий Прандтля для средней температуре

воды:

86.6605.0

1099.04190Pr3

=××

==−

в

ввв

cλµ

(33)

где вPr - критерий Прандтля для воды; КмВтв /605.0=λ - - теплопроводность воды при средней температуре

( Сt вср5.22= ) [10].

Как было показано выше, задачу определения коэффициента теплоотда-чи решается методом последовательных приближений. Для этого соотношение (29) приводят к виду:

( ) 25.0PrPr стA=α (34) Для раствора коэффициент рA будет равен:

КмВтd

А кольцаэ

рррр

2

43.08.043.08.0

/922

)048.0004.02076.0(155.002.1113530021.0PrRe021.0

=

=−×−

×××==λ

(35)

Для воды коэффициент вA будет равен:

КмВтd

А внэ

вввв

2343.08.043.08.0 /10556.304.0605.086.641050021.0PrRe021.0 ×=×××=×=

λ (36)

Далее по справочным данным [10] находятся термические сопротивле-ния загрязнений рзагрr и взагрr , вычисляют термическое сопротивление разделяю-щей теплоносители стенки [10] и суммарное сопротивление стrΣ :

ВтКмrrrм

взагррзагрст /1016.65.46

1042800

15800

1 243

−−

×=×

++=++=Σλδ (37)

где ВтКмr рзагр /5800

1 2= - термическое сопротивление стенки со стороны

раствора; ВтКмr взагр /

28001 2= - термическое сопротивление стенки со стороны воды;

м4104 −×=δ - толщина стенки теплообменной трубы; КмВтм /5.46=λ - теплопроводность стали.

В первом приближении температуру стенки со стороны раствора можно принять Сt рст

38= , со стороны воды Сt вст24= . Затем находят вязкость, тепло-

ёмкость и теплопроводность для раствора и воды при температурах стенки.

сПа

xx

рст

этстацацстацрст

4

44

107.7

)105.8lg()081.01()107.2lg(081.0lg)1(lglg−

−−

×=

××−+××=−+=

µ

µµµ (38)

24

где рстµ - коэффициент динамической вязкости раствора при температуре стен-ки со стороны раствора, Па с;

СПаацст4107.2 −×=µ - коэффициент динамической вязкости ацетона при темпе-

ратуре стенки со стороны раствора ( Сt рст38= ) [10];

СПаэтст4105.8 −×=µ - коэффициент динамической вязкости этанола при темпе-

ратуре стенки со стороны раствора ( Сt рст38= ) [10].

КкгДжсxcxc этстацацстацрст /25652604)1.01(22161.0)1( =×−+×=−+= (39) где рстc - теплоёмкость раствора, КкгДж / ;

КкгДжc ацст /2216= - теплоёмкость ацетона при температуре стенки со стороны раствора ( Сt рст

38= ) [10]; КкгДжc этст /2604= - теплоёмкость этанола при температуре стенки со стороны

раствора ( Сt рст38= ) [10].

КмВт

xxxx ацацацстэтстацэтстацацстрст

/159.0)1.01(1.0)158.0160.0(72.0)1.01(160.01.0158.0

)1()(72,0)1(

=−−×−−×+×=

=−−−−+= λλλλλ (40)

где рстλ - теплопроводность раствора КмВт / ; КмВтацст /158.0=λ - теплопроводность ацетона при температуре стенки со сто-

роны раствора ( Сt рст38= ) [10];

КмВтэтст /160.0=λ - теплопроводность этанола при температуре стенки со сто-роны раствора ( Сt рст

38= ) [10]. Далее определяют критерии Прандтля при температурах стенок для

раствора и воды.

42.12159.0

107.72565Pr4

=××

==−

рст

рстрстрст

cλµ

(41)

где рстPr - критерий Прандтля для раствора при температуре стенки.

4.6608.0

1022.94185Pr4

=××

==−

вст

вствствст

cλµ

(42)

где ствPr - критерий Прандтля для воды при температуре стенки; КкгДжc вст /4185= - теплоёмкость воды при температуре стенки ( Ct вст

24= ) [10];

СПавст41022.9 −×=µ - коэффициент динамической вязкости воды при темпера-

туре стенки ( Ct вст24= ) [10].

КмВтвст /608.0=λ - теплопроводность воды при температуре стенки ( Ct вст

24= ) [10]. По формулам (35, 36) определяют коэффициенты теплоотдачи для рас-

твора и воды.

КмВтAрст

ррр

225.025.0

/84.89442.1202.11922

PrPr

=

×=

=α (43)

25

где рα - коэффициент теплоотдачи раствора, КмВт 2/ .

КмВтAвст

ввв

2325.0

3

25.0

/10618.34.686.610556.3

PrPr

×=

××=

=α (44)

где вα - коэффициент теплоотдачи воды, КмВт 2/ . Затем определяют коэффициент теплопередачи:

КмВтr

К

вст

р

2

34

/5.497

10618.311016.6

84.8941

111

1=

×+×+

=+Σ+

=−

αα

(45)

где K - коэффициент теплопередачи КмВт 2/ . Далее находят поверхностные плотности тепловых потоков:

24 /1058.1)3566.52(84.894)( мВтttq рстрсррр ×=−×=−= α

где рq - поверхностная плотность теплового потока от раствора к стенке, 2/ мВт .

243 /10266.1)5.2226(10618.3)( мВтttq всрвствв ×=−××=−=α (46)

где вq - поверхностная плотность теплового потока от стенки к воде, 2/ мВт . 24 /105.1)5.2266.52(5.497)( мВтttKq в

сррср ×=−×=−= (47)

где q - поверхностная плотность теплового потока от раствора к воде, 2/ мВт . Определяют расхождение плотностей тепловых потоков:

%9.20209.0105.1

10266.11058.1),,min(),,max(4

441 ==

××−×

=−

=q

qqqqqq врврε (48)

Расхождение тепловых потоков более 5% и необходимо выполнять рас-чет во втором приближении, для этого определяют температуры стенки по уравнениям (3) :

Cqttр

рсррст

9.3584.894105.166.52

4

=×

−=−=α

(49)

Cqttв

всрвст

6.2610618.3

105.15.22 3

4

=×

×+=−=

α (50)

Во втором приближении температура стенки со стороны раствора Сt рст9.35= , со стороны воды Сt вст

6.26= . Далее повторяют расчет, находят вязкость, теплоёмкость и теплопроводность для раствора и воды при темпера-турах стенки.

сПа

xx

рст

этстацацстацрст

4

44

101.8

)109.8lg()081.01()108.2lg(081.0lg)1(lglg−

−−

×=

××−+××=−+=

µ

µµµ (51)

где рстµ - коэффициент динамической вязкости раствора при температуре стен-ки со стороны раствора, Па с;

СПаацст4108.2 −×=µ - коэффициент динамической вязкости ацетона при темпе-

ратуре стенки со стороны раствора ( Сt рст9.35= ) [10];

26

СПаэтст4109.8 −×=µ - коэффициент динамической вязкости этанола при темпе-

ратуре стенки со стороны раствора ( Ñ9.35t ðñò= ) [10].

КкгДжсxcxc этстацацстацрст /25162550)1.01(22081.0)1( =×−+×=−+= (52) где рстc - теплоёмкость раствора, КкгДж / ;

КкгДжc ацст /2208= - теплоёмкость ацетона при температуре стенки со стороны раствора ( Сt рст

9.35= ) [10]; КкгДжc этст /2550= - теплоёмкость этанола при температуре стенки со стороны

раствора ( Сt рст9.35= ) [10].

КмВт

xxxx ацацацстэтстацэтстацацстрст

/161.0)1.01(1.0)160.0162.0(72.0)1.01(162.01.0160.0

)1()(72,0)1(

=−−×−−×+×=

=−−−−+= λλλλλ (53)

где рстλ - теплопроводность раствора КмВт / ; КмВтацст /160.0=λ - теплопроводность ацетона при температуре стенки со сто-

роны раствора ( Сt рст9.35= ) [10];

КмВтэтст /162.0=λ - теплопроводность этанола при температуре стенки со сто-роны раствора ( Сt рст

9.35= ) [10]. Далее определяют критерии Прандтля при температурах стенок для

раствора и воды.

65.12161.0

101.82516Pr4

=××

==−

рст

рстрстрст

cλµ

(54)

где рстPr - критерий Прандтля для раствора при температуре стенки.

2.6609.0

1002.94185Pr4

=××

==−

вст

вствствст

cλµ

(55)

где ствPr - критерий Прандтля для воды при температуре стенки; КкгДжc вст /4185= - теплоёмкость воды при температуре стенки ( Ct вст

6.26= ) [10];

СПавст41002.9 −×=µ - коэффициент динамической вязкости воды при темпера-

туре стенки ( Ct вст6.26= ) [10].

КмВтвст /605.0=λ - теплопроводность воды при температуре стенки ( Ct вст

6.26= ) [10]. По формулам (35, 36) определяют коэффициенты теплоотдачи для рас-

твора и воды.

КмВтAрст

ррр

225.025.0

/75.89065.1202.11922

PrPr

=

×=

=α (56)

где рα - коэффициент теплоотдачи раствора, КмВт 2/ .

КмВтAвст

ввв

2325.0

3

25.0

/10647.32.6

86.610556.3PrPr

×=

××=

=α (57)

где вα - коэффициент теплоотдачи воды, КмВт 2/ .

27

Затем определяют коэффициент теплопередачи: КмВт

rК

вст

р

2

34

/8.496

10647.311016.6

75.8901

111

1=

×+×+

=+Σ+

=−

αα

(58)

где K - коэффициент теплопередачи КмВт 2/ . Далее находят поверхностные плотности тепловых потоков:

24 /10493.1)9.3566.52(75.890)( мВтttq рстрсррр ×=−×=−= α (59)

где рq - поверхностная плотность теплового потока от раствора к стенке, 2/ мВт .

243 /10495.1)5.226.26(10647.3)( мВтttq всрвствв ×=−××=−=α (60)

где вq - поверхностная плотность теплового потока от стенки к воде, 2/ мВт .

24 /10498.1)5.2266.52(8.496)( мВтttKq вср

рср ×=−×=−= (61)

где q - поверхностная плотность теплового потока от раствора к воде, 2/ мВт . Определяют расхождение тепловых потоков:

%33.00033.010498.1

10493.110498.1),,min(),,max(4

441 ==

××−×

=−

=q

qqqqqq врврε (62)

Расхождение тепловых потоков менее 5%. Расчет коэффициента тепло-передачи оканчивают и переходят к окончательному определению площади по-верхности теплообмена.

237.516.308.496

80500 мtК

QFср

=×

=∆

= (63)

где F- площадь поверхности теплообмена, 2м . Далее по принятым проходным сечениям и полученной поверхности теплопередачи делают окончательный вы-бор теплообменника (Приложение А), при этом запас по площади поверхности теплообмена должен быть не менее 15%.

9. Изображения теплообменников, используемые на коллоквиуме

«Конструкции теплообменников»

Рисунок 17 – Калорифер

28

Рисунок 18 - Четырёхходовой кожухотрубчатый теплообменник с перегородками в трубном пространстве

Рисунок 19 - Теплообменник «труба в трубе»

Рисунок 20 - Оросительный теплообменник

29

Рисунок 21 - Аппарат с наружным змеевиком

Рисунок 22 - Аппарат с внутренним змеевиком

Рисунок 23 - Спиральный теплообменник

Рисунок 24 - Аппарат с рубашкой.

30

Рисунок 25 - Кожухотрубчатые теплообменники с компенсирующими устройствами:

а – теплообменник с линзовым компенсатором, б – теплообменник с плаваю-щей u головкой, в – теплообменник с U – образными трубками

Рисунок 26 - Пластинчатый теплообменник

31

Литература

1. Фролов В. Ф. Лекции по курсу «Процессы и аппараты химической тех-нологии» / В. Ф. Фролов. СПб.: Химиздат, 2003. – 608

2. [Электронный ресурс] – 2010. - Режим доступа: www.bauklima.ru/, сво-бодный.

3. Фролов В. Ф. . Конструкции и выбор теплообменных аппаратов [Элек-тронный ресурс] В. Ф. Фролов, Р.Ш. Абиев / Новый справочник химика и технолога. – 2009. - Режим доступа: http://chemanalytica.com/book/novyy_spravochnik_khimika_i_tekhnologa/10_protsessy_i_apparaty_khimicheskikh_tekhnologiy, свободный. – Загл. с экрана.

4. [Электронный ресурс] – 2011. - Режим доступа: http://specnhm.ru/photo/truba_orebrennaya/, свободный.

5. [Электронный ресурс] – 2010. - Режим доступа: http://gea-mashimpeks.ru/, свободный.

6. [Электронный ресурс] – 2010. - Режим доступа: http://upoural.ru/production/68.html, свободный.

7. [Электронный ресурс] – 2011. - Режим доступа: http://www.str-filling.com.ua, свободный.

8. [Электронный ресурс] – 2011. - Режим доступа: http://www.alest.info/catalog/f1/, свободный.

9. Эл[ектронный ресурс] – 2011. - Режим доступа: http://promhimtech.ru/katalog/teploobmen, свободный.

10. Романков П.Г. Методы расчета процессов и аппаратов химической тех-нологии (примеры и задачи): учеб. пособие для вузов / П.Г. Романков, В.Ф. Фролов, О.М. Флисюк. – 3-е изд., испр. – СПб. : ХИМИЗДАТ, 2009. – 496 с.

11. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию/ Г.С. Борисов [и др.] 2-изд., -М.: Химия, 1991. -496 с.

32

ПРИЛОЖЕНИЕ (обязательное)

Основные характеристики теплообменников

Таблица А.1 - Основные характеристики теплообменников ТН с трубами 20 2 мм, [3]

Диа-метр

кожуха внут-

рен-ний D, мм

Чис-ло труб п

Длина труб L, м Проходное се-чение, м2

nр

h,мм

1,0 1,5 2,0 3,0 4,0 6,0 9,0

Sт 102

Sмт

102

Sв.п

102 Поверхность теплообмена F, м2

Одноходовые 159 19 1,0 2,0 2,5 3,5 – – – 0,4 0,5 0,3 5 100 273 61 4,0 6,0 7,5 11,5 – – – 1,2 1,0 0,7 9 130 325 100 – 9,5 12,5 19,5 25 – – 2,0 2,0 1,1 11 180 400 181 – – 23,0 34,0 46,0 68 – 3,6 2,5 1,7 15 250 600 389 – – 49 73,0 98 147 – 7,8 6,6 4,1 21 300 800 717 – – 90,0 135,0 180,0 270 405 14,4 9,1 6,9 29 350 1000 1173 – – – 221 295 442 663 23,6 15,6 10,1 37 520 1200 1701 – – – – 427 641 961 34,2 18,7 14,5 45 550

Двухходовые 325 90 – 8,5,5 11,0 17,0 22,5 – – 0,9 1,6 1,1 10 180 400 166 – – 21,0 31,0 42,0 63 – 1,7 3,0 1,7 14 250 600 370 – – 47,0 70,0 93,0 139 – 3,7 4,8 4,1 20 300 800 690 – – 87,0 130 173 260 390 6,9 7,0 6,9 28 350 1000 1138 – – – 214 286 429 643 11,4 14,6 10,1 36 520 1200 1658 – – – – 417 625 937 16,5 17,6 14,5 44 550

Четырехходовые 600 334 – – 42,0 63,0 84,0 126 – 1,6 4,8 4,1 18 300 800 638 – – 80,0 120 160 240 361 3,0 7,0 6,9 26 350 1000 1072 – – – 202 269 404 606 5,1 14,6 10,1 34 520 1200 1580 – – – – 397 595 893 7,9 17,6 14,5 42 550

Шестиходовые 600 316 – – 40,0 60,0 79,0 119 – 0,9 4,8 3,7 18 300 800 616 – – 78,0 116,0 155,0 233 349 2,0 7,0 6,5 26 350 1000 1044 – – – 197 262 393 590 3,4 14,6 9,6 34 520 1200 1544 – – – – 388 582 873 5,2 16,5 14,2 42 550

Sт, Sмт, Sв.п – проходные сечения трубного, межтрубного пространства и в вырезе перегородки; nр – число рядов труб по вертикали для горизонтальных аппаратов; h – расстояние между перегородками

33

Таблица А.2 – Основные характеристики теплообменников ТН

с трубами 25 2 мм, [3]

Диа-метр

кожуха внут-

рен-ний D, мм

Чис-ло труб п

Длина труб L, м Проходное се-чение, м2

nр

h, мм

1,0 1,5 2,0 3,0 4,0 6,0 9,0 Sт 102

Sмт 102

Sв.п 102 Поверхность теплообмена F, м2

Одноходовые 159 13 1,0 1,5 2,0 3,0 – – – 0,5 0,8 0,4 5 100 273 37 3,0 4,5 6,0 9,0 – – – 1,3 1,1 0,9 7 130 325 62 – 7,5 10,0 14,5 19,5 – – 2,1 2,9 1,3 9 180 400 111 – – 17 26 35 52 – 3,8 3,1 2,0 11 250 600 257 – – 40 61 81 121 – 8,9 5,3 4,0 17 300 800 465 – – 73 109 146 219 329 16,1 7,6 6,9 23 350 1000 747 – – – 176 235 352 528 25,9 14,3 10,6 29 520 1200 1083 – – – – 340 510 765 37,5 17,9 16,4 35 550

Двухходовые 325 56 – 6,5 9,0 13,0 17,5 – – 1,0 1,5 1,3 8 180 400 100 – – 16,0 24,0 31,0 47 – 1,7 2,5 2,0 10 250 600 240 – – 38 57 75 113 – 4,2 4,5 4,0 16 300 800 442 – – 69 104 139 208 312 7,7 7,0 6,5 22 350 1000 718 – – – 169 226 338 507 12,4 13,0 10,6 28 520 1200 1048 – – – – 329 494 740 17,9 16,5 16,4 34 550

Четырехходовые 600 206 – – 32 49 65 97 – 1,8 4,5 4,0 14 300 800 404 – – 63 95 127 190 285 3,0 7,0 6,5 20 350 1000 666 – – – 157 209 314 471 5,5 13,0 10,6 26 520 1200 986 – – – – 310 464 697 8,4 16,5 16,4 32 550

Шести ходовые 600 196 – – 31 46 61 91 – 1,1 4,5 3,7 14 300 800 384 – – 60 90 121 181 271 2,2 7,0 7,0 20 350 1000 642 – – – 151 202 302 454 3,6 13,0 10,2 26 520 1200 958 – – – – 301 451 677 5,2 16,5 14,2 32 550

Sт, Sмт, Sв.п – проходные сечения трубного, межтрубного пространства и в вырезе перегородки; nр – число рядов труб по вертикали для горизонтальных аппаратов; h– расстояние между перегородками

34

Таблица А.3 - Проходные сечения и поверхности теплообмена элементов теплообменника «труба в трубе» (тип 2 исполнения I и II), [3]

Условные давления внутри и снаружи-теплоб-менной трубы, МПа/МПа

Диаметр тру-бы, мм

Площадь про-ходного сечения,

S 104, м2

Поверхность теплообмена, м2, при длине теплообменной трубы, м

Теп-лооб-мен-ной

Кожу-ховой

Внутри тепло-обмен-

ной тру-бы

В коль-цевом про-стран-стве

1,5

3,0

4,5

6,0

6,3/4,0 25х3 57х4 2,83 13,9 0,110 0,228 - - 6,3/4,0 38х4 57х4 7,07 7,52 0,167 0,346 - - 6,3/4,0 38х4 76х4 7,07 25,0 0,167 0,346 - - 6,3/4,0 38х4 89х5 7,07 37,7 - 0,346 0,525 - 6,3/4,0 48х4 76х4 12,6 18,2 - 0,437 0,664 0,890

10,0/6,3 48х5 89х5 11,3 30,9 - 0,437 0,664 0,890 6,3/4,0 48х4 108х5 12,6 57,3 - 0,437 0,664 0,890

10,0/6,3 57х5 89х5 17,3 23,5 - - 0,787 1,09 6,3/4,0 57х5 108х5 17,3 49,9 - - 0,787 1,09

Таблица А.4 - Проходные сечения и поверхности теплообмена элементов теплооб-менника «труба в трубе» (тип 4)

Условные давления внутри и снаружи теплооб-менной трубы,

МПа/МПа

Диаметр трубы, мм

Площадь про-ходного сечения,

S 104, м2

Поверхность теплообмена, м2, при длине теплообменной трубы,

м Исполнение I Исполнение II

Тепло-обмен-

ной

Кожу-ховой

Внутри тепло-обмен-

ной трубы

В коль-цевом про-стран-стве

6

9

12

6

9

1,6/1,6*; 4,0/1,6*; 6,3/4,0

89x5

133x6

49,0

52,8

1,65

2,49

-

1,65

2,49

1,6/1,6*; 4,0/1,6*; 6,3/4,0

89x5

159x6

49,0

108

1,65

2,49

-

1,65

2,49

1,6/1,6*; 108x5 159x6 75,4 78,1 - - - 2,0 3,02 4,0/1,6; 6,3/4,0

108x6

159x6

72,4

78,1

2,0

3,02

4,05

2,0

3,02

4,0/1,6 133x6 219x6 115 198 - 3,72 4,95 - - 1,6/1,6*; 4,0/1,6

159x6

219x6

170

138

-

4,45

5,96

2,94

4,45

* - только для элементов исполнения II

35

Таблица А.5 - Основные характеристики пластинчатых теплообменников, [3]

Поверхверх-ность пла-

стины, м2

Поверхность теплообмена, м2 Дав-

ление, м2

Темпе-ратура, м2

Разборные теплообменники - исполнение Неразборные теплообмен-

ники 1

2

3

4

5

0.2 1; 2; 5; 6.3

10; 12.5 16; 25;

31.5; 40

- - - 0.002 ÷ 1.0

-20 ÷ +180

0.3 3; 5; 8; !0

12.5; 16; 20

- - -

0.5

-

-

-

31.5; 50; 63;

80; 100; 140

160; 220; 260; 300; 320

-

1.6 ÷2.5

0.6 10; 16: 25

31.5; 40; 50; 63;80; 100;

140; 160

200; 250; 300

-

-

1.0

1.0

-

-

-

-

-

120; 160;200; 240; 280; 320

2.5

-40 ÷ +300

360; 400;480; 560; 640; 720; 800

4.0

-40 ÷ +200

1.3 - 200; 300; 400

500; 600; 800

- - - 1.0 -20 ÷ +180

36

Таблица А.6 – Определяющие размеры пластин и образуемых ими каналов

Характеристики Поверхность пластины, м2 0.2 0.3 0.5 0.6 1.0 1.3

Эквивалентный диаметр канала, мм

8.8

8.7

5.85

8.3

10.6

9.6

Площадь поперечного сечения канала, м2 105

178 110 134 245 360 425

Приведённая длина ка-нала, м

0.518 1.12 1.09 1.01 1.21 1.47

Толщина пластины, мм 1 1 1 1 2 1 Диаметр штуцера, мм 75 65 150 200 250 250 Габариты пластины:

длина, м ширина, м

0.96

1.37

1.37

1.375

1.9

1.918

0.46 0.3 0.5 0.6 0.6 0.92

37

Таблица А.7 - Основные характеристики спиральных теплообменников с шириной канала 12мм тип 1, с тупиковыми каналами; исполнение 1, с плоской крышкой, [3]

Характе-ристики

Условная поверхность теплообмена, м2

10.0 12.5 16.0 20.0 25.0 31.5 40.0 50.0 63.0 80.0 100.0

Тол-щина

ленты, мм

3.5 3.5 3.5 3.5 3.5 3.5 3.9 3.9 3.9 3.9 3.9 4.0 4.0 4.0 4.0 6.0 6.0 6.0 4.0

Шири-на лен-ты, мм

400 400 500 400 500 500 1000 1000 1000 1000 1000 700 700 700 700 1100 1100 1100 1250

Длина канала,

м

12.5 15.6 16.0 25.0 25.0 31.5 20.0 25.0 31.5 40.0 50.0 14.3 17.9 22.5 28.6 22.7 28.6 36.4 40.0

Пло-щадь

сечения канала,

м2

0.0048

0.0060

0.0060

0.0048 0.0060 0.0060 0.0120 0.0120 0.0120 0.0120 0.0120 0.0084 0.0084 0.0084 0.0084 0.0138 0.0138 0.0138 0.0150

Про-пускная способ-

соб-ность при

скоро-сти

1м/с, м3/час

17.28

12.60

12.60

17.28

21.60

21.60

43.20

43.20

43.20

43.20

43.20

30.24

30.24

30.24

30.24

49.68

49.68

49.68

54.0

38

Таблица А.8 - Основные характеристики спиральных теплообменников с шириной канала 12мм тип 1, с тупиковыми каналами; исполнение 2, с конической крышкой, [3] Характери-

стики Условная поверхность теплообмена, м2

10.0 12.5 16.0 20.0 25.0 31.5 40.0 50.0 63.0 80.0 100.0

Толщина ленты, мм

3.5 3.5 3.5 3.5 3.5 3.5 3.9 3.9 3.9 3.9 3.9 4.0 4.0 4.0 4.0 6.0 6.0 6.0 4.0

Ширина ленты, мм

400 400 500 400 500 500 1000 1000 1000 1000 1000 700 700 700 700 1100 1100 1100 1250

Длина ка-нала, м

12.5 15.6 16.0 25.0 25.0 31.5 20.0 25.0 31.5 40.0 50.0 14.3 17.9 22.5 28.6 22.7 28.6 36.4 40.0

Площадь сечения канала

для пер-вой рабо-чей сре-ды, м2

0.083

0.110

0.150

0.174

0.174

0.222

0.135

0.174

0.222

0.274

0.274

0.083

0.121

0.157

0.224

0.178

0.220

0.274

0.274

Площадь сечения канала для

второй рабочей

среды, м2

0.0048

0.0060

0.0060

0.0060

0.0084

0.0084

0.0120

0.0120

0.0120

0.0120

0.0120

0.0048

0.0060

0.0060

0.0084

0.0138

0.0138

0.0138

0.0150

Пропуск-ная спо-собность при ско-

рости 1м/с,

м3/час

17.28

17.28

21.60

17.28

21.60

21.6

43.20

43.20

43.20

43.20

43.20

30.24

30.24

30.24

30.24

49.68

49.68

49.68

54.0

39

В 2009 году Университет стал победителем многоэтапного конкурса, в резуль-тате которого были определены 12 ведущих университетов России, которым присвоена категория «Национальный исследовательский университет». Мини-стерством образования и науки Российской Федерации была утверждена Про-грамма развития государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный уни-верситет информационных технологий, механики и оптики» на 2009–2018 го-ды. ___________________________________________________________________

КАФЕДРА ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ТОПЛИВНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА

(КАФЕДРА ХИМИИ)

Кафедра химии входила в состав первых 14 кафедр ЛИТМО, сформиро-ванных в 1930 году. В 1930–1960 годах кафедра работала в рамках факультета Точной механики; в период деятельности Инженерно-физического факультета (ИФФ) с 1946 года по 1954 год кафедра входила в состав ИФФ. С 1933 года – кафедру возглавлял известный специалист в области оптического стекла про-фессор В.Г. Воано, позже – известный русский ученый-химик профессор С.А. Щукарев. С 1954 по 1972 год кафедру возглавлял доцент Г.С. Кошурников.

С момента второго рождения инженерно-физического факультета в 1976 г. кафедра химии вошла в его состав. В 1974–76 годы на кафедру были приглаше-ны доценты И.К. Мешковский, О.С. Попков и Ю.П. Тарлаков из ЛТИ им. Лен-совета, А.Ф. Новиков из ВНИИМ им. Д.И. Менделеева, затем В.И. Земский, а позднее В.Ф. Пашин – из ФТИ им. А.Ф. Иоффе. Заведующим кафедрой был из-бран И.К. Мешковский. В те годы на кафедре была предложена новая учебная программа по курсу «Химия», которая базировалась на последних по тому вре-мени достижениях науки и методики преподавания. На кафедре стали разви-ваться, в основном, три научно-технологических направления: создание новых композиционных оптических материалов; разработка химических сенсоров; технология оптического волокна.

В 1982 г. кафедра дополнительно подключилась к подготовке специали-стов по технологии волоконной оптики и была переименована в кафедру “Фи-

40

зической химии, волоконной и интегральной оптики”. Благодаря работам про-фессоров И.К. Мешковского, В.И. Земского, А.Ф. Новикова возникла научная школа в области фотоники дисперсных и нелинейных сред. Были созданы но-вые нано-композиционные оптические материалы на основе пористого сили-катного стекла с внедренными в поры молекулами органических и неорганиче-ских веществ, на основе которых впервые были созданы активные элементы твердотельных перестраиваемых лазеров на красителях, а также разработан це-лый ряд волоконно-оптических и фотонных химических сенсоров.

В последующие годы сотрудники кафедры, прежде всего профессора Но-виков А.Ф. и Успенская М.В., существенно переработали методику преподава-ния курса химии, адаптировав ее к активно внедрявшейся тогда в Университете системе дистанционного обучения. В результате, преподавание курса химии в Университете ИТМО вышло на новый более высокий уровень.

В дальнейшем на кафедре под руководством профессора М.В. Успенской активно развивалось научно-техническое направление в области химии и физи-ки сорбирующих полимерных материалов и нанокомпозитов. В частности, на основе акриловых супервлагоабсорбентов разработан ряд новых материалов многофункционального назначения: сенсоры, жидкие линзы, раневые повязки, искусственные почвы для сельского хозяйства, огнестойкие конструкционные элементы и др.

В связи с этим в 2011 году данная кафедра (исторически – кафедра хи-мии) позиционировала себя как отдельное структурное подразделение Нацио-нального исследовательского университета ИТМО в качестве кафедры “Ин-формационных технологий топливно-энергетического комплекса”.

В связи с переходом отечественных предприятий на международные стандарты продукции, повышением требований к охране окружающей среды и внедрением сложных аналитических автоматизированных систем контроля ка-чества и мониторинга, с 2008 года в рамках направления «Техническая физи-ка» кафедра проводит подготовку магистров и бакалавров по новой специаль-ности «Приборы и процессы нефтепереработки и топливно-энергетических комплексов».

Кафедра осуществляет научные разработки совместно со многими отече-ственными и зарубежными фирмами и университетами.

В связи с увеличением производства и потребления продукции топливно-энергетического комплекса (ТЭК), развитием нефте- и газотранспортных си-стем, а также переходом отечественных предприятий на выпуск продукции по международным стандартам, ужесточением требований к охране окружающей среды и широким внедрением сложных аналитических автоматизированных систем контроля качества и мониторинга кафедра с 2008 года осуществляет подготовку магистров и бакалавров по профилю «Физико-технические аспекты аналитического приборостроения».

Это включает в себя следующие разделы: • Компьютерные комплексы для автоматизированного контроля

физических, химических, механических, термических, реологических и некоторых других свойств нефтяного сырья и продуктов

41

нефтепереработки; • Встроенные микропроцессорные комплексы для управления

технологическими процессами и измерением широкого круга параметров энергетических установок и систем энергоснабжения.

• Физико-математическое моделирование технологических процессов нефтепереработки и топливно-энергетического комплекса.

Решение поставленных задач требует привлечения современных методов

исследования и использования широкого спектра новейшего оборудования, а также создания информационно-аналитических систем и комплексов различно-го профиля, адаптированных под специфические условия работы на предприя-тиях ТЭК.

Уникальная программа обучения сочетает фундаментальную подготовку в области информационных систем, физической оптики, молекулярной спек-троскопии, аналитической и физической химии, компьютерной метрологии, общехимической технологии, автоматики, информатики.

В рамках специальных дисциплин изучаются приборы и методы контроля качества продукции и принципы построения автоматизированных анализатор-ных систем для предприятий ТЭК, нефтяной и химической промышленности.

Такие системы как основа информационных технологий контроля каче-ства и мониторинга безопасности могут успешно применяться практически на всех предприятиях и лабораториях химического и нефтехимического профиля, а также в металлургической, пищевой и фармацевтической промышленности.

Выпускники кафедры имеют широкие перспективы трудоустройства в современных крупных компаниях ТЭК, таких как Роснефть, ПТК, Газпром, Ки-ришинефтеоргсинтез, Лукойл, ТНК-ВР, а также на предприятиях и лаборатори-ях пищевой, фармацевтической и других отраслях промышленности.

В настоящее время на кафедре трудятся 11 преподавателей, четверо из них являются докторами наук, профессорами, признанными на международном уровне, членами ученых советов и обществ в России и за рубежом.

42

Банных О.П.

ОСНОВНЫЕ КОНСТРУКЦИИ И ТЕПЛОВОЙ

РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕННИКОВ

Учебное пособие В авторской редакции Компьютерная верстка Дизайн Редакционно-издательский отдел НИУ ИТМО Зав. РИО Н.Ф. Гусарова Лицензия ИД № 00408 от 05.11.99 Подписано к печати Заказ № Тираж 100 Отпечатано на ризографе

43

Редакционно-издательский отдел Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., 49

44