CC BY
0УДК 66.045.122+004.41 https://doi.org/10.24412/2617-149X-2024-1-17-20
Проектирование кожухотрубчатых теплообменных аппаратов с применением программного обеспечения
А.С. Марущак", Д.С. Кременецкая, М.А. Титенкова, Е.Д. Ферапонтов Витебский государственный технологический университет, Республика Беларусь
E-mail: amas_tenergy@mail.ru
Аннотация. Рассмотрены технические возможности разработанного приложения для проектирования кожухотрубчатых теплообменных аппаратов.
Ключевые слова: проектирование теплообменников, кожухотрубчатые теплообменные аппараты.
Design of Shell and Tube Heat Exchangers Using Software
А. Marushchak", D. Kremenetskaya, M. Titenkova, E. Ferapontov Vitebsk State Technological University, Republic of Belarus E-mail: amas_tenergy@mail.ru
Annotation. The technical capabilities of the created application for the design of shell-and-tube heat exchangers are considered.
Key words: design of heat exchangers, shell-and-tube heat exchangers.
В промышленности для создания и поддержания температурного режима в химических, массообмен-ных и других процессах химической технологии и защиты окружающей среды необходимо осуществлять подвод или отвод тепловой энергии от рабочей среды для проведения таких процессов широко применяют теплообменные аппараты (ТОА) различных конструкций [1].
Теплообменниками называют аппараты, предназначенные для передачи тепла от одних веществ к другим. Теплообменные аппараты могут применяться как самостоятельное оборудование, так и в виде отдельных элементов технологических и энергетических установок, образуя секционные (многоступенчатые) агрегаты. В промышленности наиболее распространены поверхностные рекуперативные теплообменники, в которых теплоносители разделены твердой стенкой. Кожухотрубчатые теплообменники различных конструкций - наиболее распространённый тип теплообменных аппаратов, которые просты по конструкции, надежны в эксплуатации и могут иметь площадь поверхности теплообмена до 1000 м2. [2]
Внешний вид кожухотрубчатого теплообменного аппарата показан на рисунке 1.
В программе обучения будущих инженеров-энергетиков, в рамках учебной дисциплины «Тепломассообмен», производится проектирование кожухотруб-чатого теплообменного аппарата.
Рисунок 1 - Кожухотрубчатый теплообменный аппарат
Проектирование кожухотрубчатого теплообменника состоит из нескольких расчетов:
1. Тепловой конструктивный расчёт.
2. Гидравлический расчёт.
3. Механический расчёт.
Конструктивный расчет выполняется при проектировании теплообменного аппарата, когда заданы теплопроизводительность аппарата, теплоносители, их расходы и параметры. Целью такого расчета является определение поверхности теплообмена и конструктивных размеров выбранного типа аппарата. Гидравлический расчет проводится с целью определения достаточности давления, создаваемого насосами (компрессорами) для преодоления сопротивлений, возникающих при движении потока через аппарат. В механическом расчете аппарата обоснованно вы-
бирают материалы для изготовления элементов конструкции и проводят все необходимые прочностные расчеты, подтверждающие возможность его безопасной и длительной эксплуатации при заданных параметрах работы (температура, давление) и с учетом свойств теплообменивающихся потоков [3].
Для оптимизации учебной работы было разработано приложение для автоматизированной проверки проектирования кожухотрубчатых теплообменных аппаратов. Часть основного экрана приложения с исходными данными для теплообменного аппарата «вода-вода» показана на рисунке 2.
Тепломассообмен Водоводяной ТОА Пароводяной ТОА Тепловая нагрузка теплообменного аппарата 5000 Температура холодной воды на входе Температура холодной воды на выходе Температура горячей воды на входе Температура горячей воды на выходе Диаметр труб теплообменника заданный Толщина стенки трубы теплообменника Рабочее давление теплообменника Материал стенок Материал кожуха
тепловой расчет теплообменника
35
65
115
95
25
1,5
1.6
кВт
•с ■с ■с •с
мм мм МПа
Сталь углеродистая 1 vi СтальСт.З
Рисунок 2 - Исходные данные вводимые в программу
Исходными данными для проектирования являются: тип ТОА, тепловая нагрузка теплообменного аппарата, температуры теплоносителей на входе и выходе теплообменного аппарата, диаметр и толщина стенок труб теплообменника, рабочее давление и материалы кожуха и труб теплообменного аппарата.
По исходным данным выбирается теплообмен-ный аппарат с теплоносителями «вода-вода» или «пар-вода».
Расчёт осуществляется по методике [4].
Первоочередной задачей расчётов является определение теплофизических свойств теплоносителей. Для ТОА «вода-вода» определяются удельная теплоёмкость, плотность, динамическая и кинематическая вязкости, теплопроводности и число Прандтля для двух теплоносителей. Пример расчёта программы показан на рисунке 3.
После расчета температурных напоров, чисел Рейнольдса и Нуссельта, определяется расчётная площадь теплообмена. После определения расчётной площади теплообмена подбирается оптимальных те-плообменный аппарат из базы данных. Выбор оптимального ТОА показан на рисунке 4.
Далее производится перерасчёт необходимых
Средняя температура горячей воды Средняя температура холодной воды Удельная теплоёмкость горячей воды Плотность горячей воды Кинематическая вязкость горячей воды Динамическая вязкость горячей воды Теплопроводность горячей воды Число Прандтля для горячей воды Удельная теплоёмкость холодной воды Плотность холодной воды Кинематическая вязкость холодной воды Динамическая вязкость холодной воды Теплопроводность холодной воды Число Прандтля для холодной воды
105
50
4,226 кДж/(кг-К)
954,700 кг/м!
0,283 м;/с
270,750 Па-с
68,400 Вт/(м-К)
1,675 -
4,174 кДж/(кг-К)
988,100 кг/м!
0,556 м7с
549,400 Па-с
64,800 Вт/(м-К)
3,540 -
Рисунок 3 - Определение теплофизических свойств теплоносителей
Расчётная площадь теплообмена 115,6 м
Диаметр выбранного теплообменника 600 мм
Диаметр труб выбранного теплообменника 25 мм
Толщина стенки труб выбранного ТОА 2 мм
Число ходов выбранного теплообменника 1 шт
Общее число труб выбранного ТОА 257 шт
Площадь теплообмена выбранного ТОА 121 м:
Длина труб для площади теплообмена 6 м
Площадь самого узкого сечения в МТП 0,040 м:
Площадь сечения одного хода по ТП 0,089 м:
Рисунок 4 - Выбор оптимального теплообменного аппарата для введённых исходных данных
параметров для выбранного теплообменника. Определяется расположение труб в трубной решетке те-плообменного аппарата. Рассчитывается количество труб по диагоналям, количество труб по шестиугольнику и количество рядов труб. Определяются термические сопротивления и выполняется построение графика для определения температур стенок труб. График представлен на рисунке 5.
Далее производится гидравлический расчёт, в результате которого получаем мощности насосов для преодоления гидравлических сопротивлений и толщину тепловой изоляции для проектируемого тепло-обменного аппарата.
Механический расчёт заключается в определении допускаемого механического напряжения, а также толщины кожуха и днищ. Расчётные значение толщин округляются до ближайшего большего значе-
18
материалы и технологии, 2024, № 1 (13)
Термическое сопротивление теплоотдачи 1 6,752Е-5 (м:-К)/Вт
Термическое сопротивление накипи 1 5,37бЕ-4 (м:.К)/Вт
Термическое сопротивление материала труб 3,114Е-5 (м:-К)/Вт
Термическое сопротивление накипи 2 5.376Е-4 (м:-К)/Вт
Термическое сопротивление теплоотдачи 2 9,753Е-5 (м:-К)/Вт
Температура стенки внутри трубы 78,82 °С
Температура стенки снаружи трубы 77,48 "С
Рисунок 5 - График для определения температур стенок труб в пучке теплообменника
ния из стандартного ряда проката. После окончания расчётов производится построение модели тепло-обменного аппарата с основными конструктивными размерами согласно ГОСТ 15122-79. Часть графической части показана на рисунке 6.
Программное решение даёт возможность спроектировать кожухотрубчатый теплообменный аппарат, при заданных исходных данных, менее чем за минуту.
С помощью разработанной программы можно дополнительно выполнять следующее:
Рисунок 6 - Графическая часть проектируемого теплообменного аппарата
- выбирать наиболее оптимальный теплооб-менный аппарат для требуемых задач;
- проводить механический расчёт с различными материалами, для оптимизации проектирования кожухотрубчатых теплообменных аппаратов
- минимизировать ошибки в расчётах при курсовом проектировании студентов-инженеров-энергетиков.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Савельев, Н. И. Расчет и проектирование кожухотрубчатых теплообменных аппаратов : учеб. пособие / Н. И. Савельев, П. М. Лукин. - Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та, 2010. - 80 с.
2. Липин, А. А. Расчет теплообменных аппаратов. Кожухотрубчатые теплообменники : учеб. пособие / А. А. Липин, Ю. Е. Романенко, А. В. Шибашов, А. Г. Липин. - Иваново : Иван. гос. хим.-технол. ун-т, 2017. -76 с.
3. Расчет теплообменных аппаратов [Электронный ресурс] : методические указания к курсовому и дипломному проектированию / М-во образования и науки Рос. Федерации, Волгогр. гос. архит.-строит. ун-т ; сост. Н. Ю. Карапузова, В. М. Фокин. - Электронные текстовые и графические данные (2,11 Мбайт). -Волгоград : ВолгГАСУ 2013.
4. Тепломассообмен: методические указания по выполнению курсовых работ / сост. А. М. Гусаров, А. С. Марущак. - Витебск : УО «ВГТУ», 2021. - 46 с.
REFERENCES
1. Savelyev, N. I. Calculation and design of shell-and-tube heat exchangers : textbook. allowance / N. I. Savelyev, P. M. Lukin. - Cheboksary: Chuvash Publishing House. un-ta, 2010. - 80 p.
2. Lipin, A. A. Calculation of heat exchangers. Shell and tube heat exchangers : textbook. allowance / A. A. Lipin, Yu. E. Romanenko, A. V. Shabashov, A. G. Lipin. - Ivanovo : Ivan. state chemical technology univ., 2017. - 76 p.
3. Calculation of heat exchangers [Electronic resource]: guidelines for course and diploma design / Ministry of
Education and Science of Russia. Federation, Volgogr. state architect-builds University; comp. N. Yu. Karapuzova, V. M. Fokin. - Electronic text and graphic data (2.11 MB). - Volgograd: VolgGASU, 2013.
4. Heat and mass transfer: guidelines for completing coursework / comp. A. M. Gusarov, A. S. Marushchak. -Vitebsk : EE "VSTU", 2021. - 46 p.
SPISOK LITERATURY
1. Savel'ev, N. I. Raschet i proektirovanie kozhuhotrubchatyh teploobmennyh apparatov : ucheb. posobie / N. I. Savel'ev, P. M. Lukin. - Che-boksary: Izd-vo Chuvash. un-ta, 2010. - 80 s.
2. Lipin, A. A. Raschet teploobmennyh apparatov. Kozhuhotrubchatye teploobmenniki: ucheb. posobie / A. A. Lipin, Ju. E. Romanenko, A. V. Shabashov, A. G. Lipin. - Ivanovo : Ivan. gos. him.-tehnol. un-t, 2017. - 76 s.
3. Raschet teploobmennyh apparatov [Jelektronnyj resurs] : metodicheskie ukazanija k kursovomu i di-plomnomu proektirovaniju / M-vo obrazovanija i nauki Ros. Federacii, Volgogr. gos. arhit.-stroit. un-t ; sost. N. Ju. Karapuzova, V. M. Fokin. - Jelektronnye tekstovye i graficheskie dannye (2,11 Mbajt). - Volgograd : VolgGASU, 2013.
4. Teplomassoobmen: metodicheskie ukazanija po vypolneniju kursovyh rabot / sost. A. M. Gusarov, A. S. Marushhak. - Vitebsk: UO «VGTU», 2021. - 46 s.
Статья поступила в редакцию 22.05.2024.
