Тепловой расчет теплообменных аппаратов

 

 

Министерство образования и науки российской федерации

Российский государственный университет нефти и газа (НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

имени И.М. Губкина

Кафедра   «Термодинамики и тепловых двигателей»

 

 

           Оценка                                                    «К защите»

________________                              Руководитель проекта

_____________(________________)

«____»____________20__ г.                                       «____»_____________20__ г.     

 

 

КУРСОВОЙ  ПРОЕКТ

по курсу Техническая термодинамика и теплотехника

на тему «Тепловой расчет теплообменных аппаратов»

 

 

Члены комиссии:                                                            Выполнил:

________________________                                         студент группы ХВ-15-07

________________________                                    Ефименко Андрей

_______________________

Дата защиты:

 

 

 

 

                                             Москва   2017

Оглавление

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I.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:

 

 

 

 

• Теплообменные аппараты с неподвижными трубными решетками

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

• Теплообменные аппараты с неподвижными трубными решетками и с линзовым компенсатором на кожухе

  

Рис. 2. 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.

 

 

• Теплообменные аппараты с плавающей головкой

Рис. 3 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

• Теплообменные аппараты с U-образными трубами

Рис.4 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 ( ).[1]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II. Конструктивный тепловой расчёт.

Исходные данные

Таблица 1-Данные для расчета теплообменного аппарата

Теплоноситель	Массовый расход G, кг/с	Температура на входе в ТА t’, °C	Температура на выходе из ТА t”, °C
Горячий: бензин	-	175	80
Холодный: нефть	31	15	85

 

1.Теплофизические свойства теплоносителей (ρ, Срm, λ, ν, β, Pr).

Эти величины связаны между собой уравнением теплового баланса теплообменного аппарата:

,                     (II,1)

где ηп – коэффициент тепловых потерь, равный 0,95-0,98. Примем

  ηп = 0,96.

Определяем средние температуры горячего и холодного теплоносителей:

t = 0C

=   0C

По полученным значениям t и τ определяем по справочным данным теплофизические свойства теплоносителей.

Для бензина (Таблица П-1.2):

ρ1 = 660+(127,5-120)*(650-660)/(130-120)=667,5 (кг/м3)

Сpm1 = (Дж/кг*0С)

λ1 = (Вт/м*0С)

ν1*106 = (м2/сек)

β1*104 = (1/град)

Pr1 =

Для нефти (Таблица П-1.1)

         λ2 = 0,151 – 5,75*10-4*50 = 0.122 (Вт/м* C)

         Cpm2 = 1738 + 6,65*50 = 2070,5 (Дж/кг* C)

         ρ2 = 852 – 0,725*50 = 815,75 (кг/м3)

         ν2*106 = (м2/сек)

         β2*104 = 7,89 – 12,6*50+1,303*502= 2635,39 (1/град)

         

 Таблица 2 – Теплофизические свойства теплоносителей [2]

	Бензин t =127,5 C	Нефть  =50 C
c , Дж/кг*0С	2607,5	2070,5
, Вт/м*0С	0,0958	0,122
, 10 м /с	0,272	37,504
, кг/м	667,5	815,75
Pr	4,828	519,218
β*104,1/0С	16,25	2635,39

 

Из уравнения теплового баланса находим:

Мощность теплообменного аппарата (Q, кВт) по исходным данным

Q=η*G1*Cpm1*(t1-t2)=0.96*18,89*2607,5*(175-80)=4492,1 кВт

Средняя разность температур между теплоносителями (θm, 0С).

Оптимальный диапазон площадей проходных сечений  и минимальный индекс противоточности Pmin ТА.

;         (II,2)

,          (II,3)

  где  и   максимальная и минимальная рекомендуемые скорости потоков  теплоносителей:

Водяной эквивалент kF и площадь поверхности F теплообмена теплообменного аппарата.

                                      (II,4)

 

,                        (II,5)

где  и - коэффициенты теплоотдачи в трубном и межтрубном пространстве. Принимаем =2000 для бензина   и =300 для нефти. (таблица 1)

  2 мм - толщина стенки

 термические сопротивления загрязнений, создаваемых бензином и нефтью. Принимаем для бензина  (таблица 2) и  для нефти. (таблица 3 )

 Вт/(м2К)

Определим расчетную площадь поверхности теплообмена:

2. Предварительный выбор ТА  по каталогу.

Таблица 3 – Характеристики ТА[3]:

Внутренний диаметр кожуха , мм	1200
Наружный диаметр труб , мм	25
Число ходов по трубам,	6
Площади проходного сечения 102, м2:
Одного хода по трубам	5,2
В вырезе перегородки	14,2
Между перегородками	16,5
Площадь поверхности теплообмена F(м2) при длине труб l(мм)	6000
Площадь аппарата (м2)	451

 

Определим минимальный индекс противоточности Pmin ТА.

 м2

 

 

 

 

 

 

Методом последовательных приближений из уравнения находим  ∆T = 25

Индекс противоточности:

 

 

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

-Коэффициент  теплоотдачи в трубном пространстве:

                            (II,6)

Re, Pr, Gr – числа подобия теплоносителя, движущегося в теплообменных трубах ТА, при средней арифметической температуре потока; Prc – число Прандтля теплоносителя, движущегося в теплообменных трубах ТА, при средней температуре стенки тубы; λтр – коэффициент теплопроводности теплоносителя, движущегося в теплообменных трубах ТА.

        Средняя скорость теплоносителя в трубном пространстве выбранного стандартного ТА: 

Число Рейнольдса:  =38602,9

Режим турбулентный, из таблицы определяем следующие константы

C=0,021;    j=0,8;   y=0,43;   i=0; 

Определим из таблицы, примем, что средняя температура стенки :

6,45

Подставим:

 

Рассчитаем коэффициент теплоотдачи теплоносителя в межтрубном пространстве:

    (II,7)                                                                        ,         (II,8)                                                    

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

Выберем расположение труб в пучке в виде треугольника.

Вычислим среднюю скорость теплоносителя в межтрубном пространстве:

 

Посчитаем число Рейнольдса:                    

Выбираем коэффициенты:

m=0,5 ;  n=0,36 ;  C1=0,7 ; C=0,723;  Cz= 1; 562,85

Рассчитаем :          

Уточняем k:

             

Уточняем Fрасч.:

м2;

Погрешность

 

 

 

 

III.Проверочный тепловой расчет

Определяем фактическую тепловую мощность выбранного аппарата:

              (III,1)

Вычислим приведенный водяной эквивалент :

    (III,2)                                                       Дж/c·К                                                   

 Дж/с·К                                               

Вт/К

Итак, тепловая мощность равна:

Определим действительные температуры теплоносителей на выходе теплообменного аппарата:

                                                 

                                                 

 

 

 

Вычислим погрешности найденных температур:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

IV.Графическая часть курсовой работы

 

:

 

 

 

Рис.5 - Схема шестиходового теплообменного аппарата с неподвижными

трубными решетками:

1- распределительная камера; 2 - кожух; 3- теплообменная труба; 4-поперечная  перегородка; 5 - трубная решетка; 6 - задняя крышка кожуха; 7-опора; 8 - перегородка в распределительной  камере; 9 - штуцеры.       

  Таблица 4–Геометрические характеристики расположения труб в пучке:

Наружный диаметр труб   dн, мм	Поперечный шаг труб   S1 = t, мм	Продольный шаг труб  S2, мм
25	32	27,7