Тепловой расчет теплообменных аппаратов

Министерство Образования Российской  Федерации

Российский Государственный Университет Нефти и Газа им. И. М. Губкина

 

 

 

 

 

Кафедра термодинамики и тепловых двигателей

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Курсовая работа по теплотехнике

 

«Тепловой расчет теплообменных аппаратов»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                              .

Выполнила.

       Группа 

 

Проверил:

 

 

 

 

 

 

 

Москва 2015 
Оглавление

 

 

 

I. Введение. …………………………………………………..………3

II. Конструктивный тепловой расчет……………………………….6

III. Проверочный тепловой расчет……………………………….....11

IV. Графическая часть курсовой работы…………………………...12

V.Вывод………………………………………………………………14

VI. Список литературы………………………………………….…..15

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Введение.

В реальных условиях передача теплоты чаще всего происходит при изменяющихся температурах теплообменивающихся сред. Типичным и наиболее распространенным техническим устройством, в котором теплопередача осуществляется при переменных температурах, является теплообменный аппарат.

Теплообменный аппарат – это устройство, предназначенное для передачи теплоты от одного теплоносителя к другому.

Теплообменные аппараты широко применяются в нефтедобывающей, газовой, нефтеперерабатывающей и химической промышленности. Широкое использование теплообменного оборудования в нефтяной и газовой промышленности обязывает специалистов уметь их рассчитывать, обобщать опыт их эксплуатации, анализировать рабочий процесс и намечать пути повышения эффективности их работы. Эффективная работа теплообменных аппаратов приводит к экономии энергии, сокращению расхода топлива и улучшает технико-экономические показатели производственных процессов.

По принципу действия теплообменные аппараты делятся на рекуперативные, регенеративные и смесительные.

В рекуперативных теплообменных аппаратах горячий и холодный теплоносители одновременно омывают с разных сторон поверхность теплообмена, а тепловой поток передается от горячего к холодному теплоносителю через разделяющую их стенку.

В регенеративных теплообменных аппаратах горячий и холодный теплоносители омывают одну и ту же поверхность теплообмена последовательно. При омывании поверхности теплообмена горячий теплоноситель отдает ей теплоту, а затем ту же поверхность омывает холодная теплоноситель, которая, получая теплоту, нагревается.

В рекуперативных и регенеративных теплообменных аппаратах в процессе теплоотдачи между теплоносителями участвует поверхность теплообмена, поэтому эти аппараты называют поверхностными.

В смесительных теплообменных аппаратах теплопередача между теплоносителями осуществляется путем их непосредственного смешения. Эти теплообменные аппараты называют контактными.

По назначению теплообменные аппараты делятся на конвективные (нагреватели и холодильники), испарители, конденсаторы и кристаллизаторы.

В конвективных теплообменных аппаратах не происходит агрегатного превращения теплоносителей.

В испарителях происходит испарение холодного теплоносителя или компонентов холодного теплоносителя.

В конденсаторах конденсируется горячий теплоноситель или компоненты горячего теплоносителя.

Кристаллизаторы используют для охлаждения потока горячего теплоносителя до температуры, обеспечивающей образование кристаллов некоторых компонент горячего теплоносителя.

Наиболее широкое распространение в настоящее время получили кожухотрубные теплообменные аппараты.

Различают следующие типы кожухотрубных теплообменных аппаратов:

1. Теплообменные аппараты с неподвижными трубными решетками

1 - распределительная камера; 2 - кожух; 5 - теплообменная труба; 4 - поперечная перегородка;  5 - трубная  решетка; б - крышка кожуха; 7 – опора

 

2. Теплообменные аппараты с неподвижными трубными решетками и с линзовым компенсатором на кожухе

  

1-распределительная  камера; 2-трубные решетки; 3-компенсатор; 4-кожух;   5-опора; 6-теплообменная  труба; 7-поперечная «сплошная» перегородка;        9-крышка.

Потоки: I -испаряющаяся среда; II - конденсат; III - парожидкостная смесь;  IV - водяной пар.

 

3. Теплообменные аппараты с плавающей головкой

1 - крышка распределительной  камеры; 2 - распределительная камера; 3 - неподвижная трубная решетка; 4 - кожух; 5 - теплообменная труба; 6 - поперечная перегородка; 7 - подвижная  трубная решетка;

8 - крышка кожуха; 9 - крышка плавающей головки; 10 - опора; 11 - катковая опора трубчатого  пучка

4. Теплообменные аппараты с U-образными трубами

1-распределительная  камера; 2-трубная решетка; 3-кожух; 4-теплообменная  труба; 5-поперечная перегородка; 6-крышка  кожуха; 7-опора; 8-катковая опора  трубчатого пучка

 

         В зависимости от расположения  теплообменных труб различают  теплообменные аппараты горизонтального  и вертикального типов.

В зависимости от числа перегородок в распределительной камере и задней крышке кожухотрубные теплообменные аппараты делятся на одноходовые, двухходовые и многоходовые в трубном пространстве.

В зависимости от числа продольных перегородок, установленных в межтрубном пространстве, кожухотрубные теплообменные аппараты делятся на одно- и многоходовые в межтрубном пространстве.

В настоящей работе выполняется курсовое проектирование, целью которого является выбор стандартного теплообменного аппарата, обеспечивающего при заданных массовых расходах (G1 и G2) температурные режимы теплоносителей ( ).

 

 

II. Конструктивный тепловой расчет.

 

      Определим  неизвестную температуру нефти  на выходе из ТА и параметров  теплоносителей.

 

Дано: 

Теплоноситель	G, кг/с	t`,  C	t``,  C	Tср, C
Горячий теплоноситель (водяной пар)	?	120	120	120
Холодный теплоноситель (бензин)	3	5	35	20

 

       

 

 

Определим среднюю температуру горячего и холодного теплоносителей:   

tm =  =120º C

tm =  =20º C 

 

2. Определение теплофизических свойств теплоносителей

 

Теплоноситель
Горячий (водяной пар)	1,121	2207	259	11,46	1,09
Холодный (бензин)	751	2060	0,117	0,704	9,35

 

Определение массового расхода.

η – коэффициент, учитывающий тепловые потери в окружающую среду (от 0,96 до 0,98). Примем η=0,97.

Определение мощности теплообменного аппарата Q по исходным данным         

Определим действительную температуру горячего теплоносителя

Определение средней разности температур между теплоносителями

По уравнению Грасгофа для противотока :

         

 

 

Определение водяного эквивалента

 

7. Определение расчетной площади поверхности теплообмена теплообменного аппарата

• Определение водяного эквивалента kF и площади поверхности F теплообмена ТА.

 

         

                                                                                       

Выбираем  k=10-60 для течения от газа к жидкости k=30

 

 

 

Необходимо определить: какой из теплоносителей движется в трубном, а какой в межтрубном пространстве. Выбор проводится по следующим рекомендациям:

• Теплоноситель с более высоким давлением (p > 1 МПа) целесообразно направлять в трубы;
• Теплоноситель, вызывающий более интенсивную коррозию, предпочтительно направлять в трубы;
• Теплоноситель, при использовании которого образуется больше отложений, следует направлять в трубы;
• Теплоноситель с большей вязкостью предпочтительно направлять в межтрубное пространство.

В межтрубное пространство направляем бензин, а в трубное –  водяной пар

Предварительный выбор теплообменного аппарата по каталогу.

 

а) Выбираем теплообменник с неподвижными трубчатыми решетками.

б) По значениям вязкости теплоносителей и термических загрязнений направляем водяной пар в трубное, а бензин в межтрубное пространство.

в) По диапазону площадей проходных сечений трубного и межтрубного пространства, а также по величине расчетной площади поверхности теплообмена, предварительно выбираем 4 ходовой аппарат  с трубами длинной 6 м.

 

Конструктивные характеристики выбранного аппарата.

 

Площадь поверхности теплообмена F, м	63
Диаметр кожуха , мм	630
Наружный диаметр теплообменных труб , мм	20
Внутренний диаметр труб d1, мм	16
Число ходов по трубам,	4
Длина трубы L, мм	6000
Площади проходного сечения одного хода:
По трубам ,	1,6·10-2
В вырезе перегородки ,	4,1·10-2
Между перегородками ,	4,8 ·10-2

 

Расчет коэффициенты теплоотдачи от горячего теплоносителя к стенке α1 и от стенки к холодному теплоносителю α2.

1) Коэффициент теплоотдачи в  трубном пространстве:

Где - коэффициент теплоотдачи в трубном пространстве,

        - коэффициент теплоотдачи в межтрубном пространстве

 

Рассчитаем :

                                                      

где Re, Pr, Gr - числа подобия теплоносителя, движущегося в трубах ТА, при     среднеарифметической температуре потока.

Pr – число Прандтля;

Re – число Рейнольдса;

Gr – число Грасгофа;

Prc – число Прандтля теплоносителя, движущегося в теплообменных трубах ТА при средней температуре стенки труб.

- коэффициент теплопроводности  теплоносителя, движущегося в трубах  ТА. и - наружный диаметр и толщина стенки теплообменных труб.

 

• Средняя скорость теплоносителя в трубном пространстве:

                                                   

 

• Число Рейнольдса:

                                 

Re > 10 000 – турбулентный режим движения;

 

 

Из таблицы определяем следующие константы:

C=0.021;    j=0.8;   y=0,43;   i=0; 

 

 

 

 

 

 

2) Коэффициент теплоотдачи теплоносителя  в межтрубном пространстве:

                                                                                        

,                                                             

где значения коэффициентов С, Сz, C1, m, n выбираются из таблицы в зависимости от расположения труб в пучке и значения числа Рейнольдса:

 

• Вычислим среднюю скорость теплоносителя в межтрубном пространстве:

        

 

• Определим число Рейнольдса:

     

 

2300<Re < 10 000    

Переходный режим

Выбираем коэффициенты:

С=4,9  j=0 y=0.43 i=0

 

     Уточняем k:

 

Уточняем Fрасч.:

;

 

• Расчет ошибки вычислений

Окончательный выбор теплообменника:

Площадь поверхности теплообмена F, м	63
Диаметр кожуха , мм	630
Наружный диаметр теплообменных труб , мм	20
Внутренний диаметр труб d1, мм	16
Число ходов по трубам,	4
Длина трубы L, мм	6000
Площади проходного сечения одного хода:
По трубам ,	1,6·10-2
В вырезе перегородки ,	4,1·10-2
Между перегородками ,	4,8 ·10-2