Расчёт теплообменника типа «труба в трубе»

МИНЕСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ  И   РФ  НАУК  ОБРАЗОВАНИЯ «ШАХТИНСКОГО РЕГИОНАЛЬНЫЙ КОЛЛЕДЖ

ТОПЛИВА И ЭНЕРГЕТИКИ  ИМ .АК. СТЕПАНОВА  П.И»

 

 

                     Курсовой  проект       

              Тему : Расчёт  теплообменника  типа « труба в трубе»

 

 

 

                                      ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

                                                240404.ПА.00.18.ПЗ

                                  

 

Руководитель  проекта                                               Выполнил                                  

                                                                            

                                                                                    Студент группы ПНГ-31

Котелевская  М.А.                                                                                                                                                                                    

                                                                                      Рудомёткин В.В

                                                                             

           подпись                                                                                                             

                                                                                                  подпись    

 

 

                                                          

«        »                                         2012г.                       «      »                       2012г.             

Оценка  и  дата  защиты:

                                                                           «     »                                      2012г.          

                                                                                                          

 

МИНЕСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ  И   РФ НАУК  ОБРАЗОВАНИЯ «ШАХТИНСКОГО РЕГИОНАЛЬНЫЙ КОЛЛЕДЖ

ТОПЛИВА И ЭНЕРГЕТИКИ  ИМ .АК. СТЕПАНОВА  П.И»

                              ( наименование  образовательного  учреждения )    

                                                                                                                                    « УТВЕРЖДАЮ»

                                                                                                       Зам.директора по

                                                                                                         Учебной части  

       

                                                      ЗАДАНИЯ.

                       Для курсового  проектирований  по  дисциплине

«Процессы  и  аппараты нефтегазоперерабатывающего  производства»        

Студент         Рудомёткин  В.В                                                                                   

Группы          ПНГ- 31

Тема курсового проекта    Расчёт теплообменника типа  « труба в трубе »

                                                                                                      

                                       ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

 

    ВВЕДЕНИЕ

                                         

ОБЩАЯ ЧАСТЬ

Общие сведение о аппарате

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ

Основные формулы  для расчёта  теплообменного аппарата

Сырьё дистиллятом дизельного топлива

Начальная температура        Т₂^¢=393 К

Конечная  температура            433 К

Содержания  расчёта средний температурный напор, физические  параметры 

теплоносителей  при их средней  температуре,

 

коэффициент  теплоотдачи  от дизельного  топлива, коэффициент теплопередачи

поверхность теплообмена.

ЛИТЕРАТУРА    Молоканов Ю.К.,   Скобло А.И.,  Владимиров А.И.,

 

Щелкунов В.А. Процессы и аппараты нефтегазопереработки и нефтехимии

 

Молоканов А.К  Технология первичной переработки нефти и природного газа.

 

Кузнецов А.А. Нефтеперерабатывающая  промышленность.

 

Вихман А.Г. Процессы и аппараты

 

Баранов Д.А. и Кутепов А.М. Процессы и аппараты.

 

 

 

 

 

Дата  выдачи задания………………………….. «      »                               2012г.

 

Срок  сдачи……………………………………… «      »                               2012г.

 

 

Руководитель курсового проектирования                                / Котелевская  М.А/

 

 

 

Председатель цикловой ( предметной ) комиссии

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

Введение. 

1.1Общие сведения о аппарате .

2. Технологический  раздел .

2.1 Общие расчётные сведения .

2.2   Техника безопасности  и охрана окружающей  среды.

3.  Специальный  раздел .

3.1  Узнать  температуру  нефти   на  выходе  их  теплообменника  и его  тепловая  нагрузка .

3.2  Расчитать средний  температурный  напор.

3.3  Выпор  т / о

3.4  Расчитать  физические  параметры  теплоносителей  при   их  средней температуре .

3.5  Расчитать  коэффициент   теплоотдачи   от дизельного   топлива .

3.6   Расчитать коэффициент   теплопередачи .

3.7  Расчитать  поверхность  теплообмена. 

4. Основные выводы  по результатам проекта.

4. 1 Технико-экономический  раздел .

5. Список  используемой литературы .

  

        

  

ВВЕДЕНИЕ.

В нефтеперерабатывающей  промышленности широко распространены процессы теплообмена (нагревания и  охлаждения) жидкостей и газов  без изменения их агрегатного  состояния, а также испарение жидкостей и конденсация паров. Для этого существуют специальные теплообменные аппараты.

Д. И. Менделеев  в своей  книге «К познанию России» отобразил  пути развития отечественной промышленности с использованием наиболее передовых  технологических приёмов. Эти идеи были истоком первой научной школы химической технологии, зародившейся ещё Петербургском технологическом институте. Эту эстафету подхватил Александр Кириллович  Крупский, впервые обративший внимание на то ,что на большинстве предприятий химической смежных отраслей промышленности встречаются одни и те же конструкции химических аппаратов и другого оборудования (фильтры, центрифуги, теплообменники, выпарные установки, ректификационные установки и др.) А. К.  Крупский предложил рассматривать все типовые процессы  и аппараты  химической технологии с единой точки зрения и встал на путь обобщения в области теории этих процессов.  Профессор А. К.Крупский  по праву считается основоположником науки о процессах и аппаратах химической технологии в нашей стране.

 Бурное развитие промышленности,  неразрывно связанное с научно-технической революцией второй половины 20 века,  привело к появлению новых и совершенствованию уже существующих систем и установок для преобразования первичных энергоресурсов в требуемые для населения формы энергии,  а также распределения и передачи этой энергии от источников ее производства до объектов использования.

 

 

     

Целью  моей курсовой работы является : Расчёт необходимой поверхности теплообмена и число стандартных теплообменных аппаратов типа «труба в трубе» для нагрева нефти дистиллятом дизельного топлива.

 

1.1 Общие сведения  аппарате .

 

Эти процессы осуществляют в теплообменниках, конденсаторах, холодильниках. В зависимости  от способа передачи тепла различают  три группы теплообменных аппаратов:

·поверхностные; в которых тепло передается через поверхность, разделяющую обменивающиеся теплом среды;

·смешения, в которых тепло от одной среды к другой передается при непосредственном соприкосновении;

·регенеративные, в которых среды нагреваются при соприкосновении с ранее нагретыми твердыми телами, заполняющими аппарат и периодически нагревающимися другим теплоносителем.

К поверхностным теплообменникам  относятся кожухотрубчатые; элементные, змеевиковые, спиральные, типа «труба в трубе» и др. Наиболее распространены кожухотрубчатые теплообменники, которые применяют при больших расходах маловязких жидкостей или газов. Если жидкости имеют высокую вязкость и их расход невелик; используют теплообменники типа «труба в трубе». Змеевиковые теплообменники обычно применяют при небольших тепловых нагрузках.. В конденсаторах охлаждаются пары нефтяных дистиллятов, отводимых с верха ректификационной колонны. Конденсаторы по конструкции и принципу работы делятся на трубчатые, погружные и смешения. Наиболее пожароопасны трубчатые конденсаторы, так как при внезапном прекращении подачи охлаждающей воды на установку пары бензина могут не сконденсироваться в аппарате. Погружные конденсаторы широко распространены, однако на вновь строящихся установках их не применяют, так как они громоздки и коэффициент теплопередачи их невысок. В конденсаторах смешения пары нефтепродукта конденсируются при непосредственном 6смешении с охлаждающей водой. Конденсат и вода собираются внизу аппарата и разделяются на два слоя из-за разной плотности.

Холодильники  на нефтеперерабатывающих заводах  предназначены для охлаждения жидких дистиллятов и остатков после  перегонки нефти. По конструкции холодильники мало отличаются от теплообменников и бывают двух видов: трубчатые и погружные. Холодильники трубчатого типа наиболее пожароопасны, так как запас воды в них невелик и трубки часто выходят из строя.

Для охлаждения аппаратов на нефтеперерабатывающих  заводах расходуется очень  много воды. Чтобы уменьшить ее расход, используют оборотные системы. В настоящее время в нефтепереработке и нефтехимии объем оборотного водоснабжения составляет 85% общего расхода. Оборотные системы довольно сложны — это водозаборы, насосные станции, очистные сооружения, сеть водопроводов и т.п. Создание и эксплуатация таких комплексов требует больших капиталовложений. В результате поисков новых систем охлаждения были созданы аппараты воздушного охлаждения (АВО)_.

                          

Назначение теплообменника – «труба в трубе»

 

Теплообменники типа «труба в трубе» используются в основном для нагрева или охлаждения теплоносителя в тех случаях, когда требуются небольшие поверхности теплообмена (обычно до 50 м²). Они также могут использоваться в процессах, сопровождающихся частичным кипением или конденсацией теплоносителя. Преимущество теплообменника «труба в трубе» заключается в разнообразии компоновок, и, кроме того, они могут быть быстро собраны из стандартных элементов на месте монтажа. При необходимости поверхность теплообмена может быть увеличена за счет установки дополнительных секций. Подходящим выбором конструкции входных и выходных патрубков можно обеспечить эффективную очистку поверхностей теплообмена по обеим сторонам. Можно просто выполнять контроль распределения потоков теплоносителя по каждому каналу теплообменника, что особенно важно при охлаждении вязких жидкостей, когда в случае необходимости один насос может быть установлен для группы теплообменников. Главными недостатками теплообменников «труба в трубе» являются большой объем и стоимость. на единицу поверхности теплообмена.

Область применения

Простейший вид теплообменника «труба в трубе» представляет собой  У-образную трубу, помещенную внутри трубы  такой же формы. Теплообменники «труба в трубе» с продольными ребрами  были разработаны в конце второй мировой войны. Теплообменники «труба в трубе» используются вместо кожухотрубных теплообменников при выполнении хотя бы одного из следующих условий:

низкий  коэффициент теплоотдачи со стороны  кожуха: Если отношение коэффициентов  теплоотдачи внутри труб к коэффициентам в межтрубном пространстве больше 2:1, то следует использовать развитые поверхности. Типичным примером могут служить теплообменники с газом или вязкими жидкостями в межтрубном пространстве и водой, паром или жидкостью с низкой вязкостью в трубах. Чем больше это отношение, тем более эффективным будет применение развитых поверхностей, поскольку при этом могут быть увеличены число и размер ребер ;

«пересечение» или близкие значения температур по горячей и холодной стороне. Конструкция теплообменников «труба в трубе» позволяет в точности воспроизвести режим противотока, И ситуация, при которой возникает «пересечение» температур, легко устранима. Поскольку теплообменники типа «труба в трубе» имеют модульную структуру, они могут быть смонтированы последовательно и параллельно с минимумом коммуникационных трубопроводов и на общем фундаменте;

высокие давления. Для выбранной мощности теплообменники «труба в трубе» имеют меньший  диаметр наружной трубы, чем диаметр  кожуха в кожухотрубных теплообменниках. Наружные трубы обычно не имеют сварных швов, и их диаметр варьирует от 50 до 200 мм, хотя в особых случаях возможны и большие диаметры. Следовательно, при высоком давлении в наружной трубе требуется меньшая толщина стенок из-за малого диаметра;

малые мощности. Теплообменники «труба в трубе» часто используются для небольших мощностей, при которых нет необходимости применять оребренные трубы (например, при использовании в качестве теплоносителя воды). В этом случае применяются гладкие трубы или пучки гладких труб.

 

Теоретические основы процесса теплопередачи

 

Тепловые процессы или теплообмен — обобщенное название процессов  передачи энергии в виде теплоты  между телами, имеющими различную  температуру.

Движущей силой процесса теплообмена  является разность температур. Причем передача теплоты осуществляется от тела с большей к телу с меньшей температурой.

К тепловым процессам, используемым в  промышленности, относятся процессы нагревания, охлаждения, испарения  и конденсации.

Вещества и тела, участвующие  в процессе теплообмена, называются теплоносителями. Теплоносители с более высокой температурой, отдающие теплоту в процессе теплообмена, называются горячими теплоносителями, вещества с более низкой температурой, воспринимающие теплоту в процессе теплообмена, называются холодными теплоносителями.

Передача теплоты может осуществляться как при непосредственном соприкосновении  теплоносителей, так и через тепло-проводящую стенку (поверхность теплообмена) и  является основным расчетным конструктивным параметром теплообменных аппаратов (теплообменников).

Различают стационарные (установившиеся) и нестационарные (неустановившиеся) теплообменные процессы.

При стационарных процессах, характерных  обычно для непрерывно действующих  теплообменных устройств, температура  в каждой точке рабочего объема (тела) не меняется во времени.

При нестационарных процессах, характерных  для периодически действующего оборудования, температура, напротив, меняется во времени.

Совокупность значений температур во всех точках объема (тела) называется температурным полем. Кроме трехмерного температурного поля, в зависимости от условий проведения процесса и числа используемых координат могут рассматриваться двумерные, и одномерные температурные поля.

Так же, как тепловые процессы, температурное  поле может быть стационарным и нестационарным.

Изотермическая поверхность в  температурном поле — поверхность, объединяющая точки с одинаковыми  температурами. Из-за отсутствия разности температур теплота вдоль такой  поверхности не распространяется.

Теплота в температурном поле, таким образом, может распространяться только между изотермическими поверхностями. При этом степень интенсивности изменения температуры характеризуется температурным градиентом, выраженным пределом отношения приращения температуры к расстоянию между изотермическими поверхностями, направленным по нормали к этой поверхности.

Механизмы передачи теплоты

Теплота от одного тела к другому  передается: теплопроводностью, конвекцией и тепловым излучением.

Теплопроводность (кондукция) — перенос  теплоты вследствие движения и колебаний микрочастиц, соприкасающихся друг с другом. Теплопроводностью передается теплота в твердых телах и тонких слоях жидкости и газа.

Конвекция — перенос теплоты путем перемещения  макрообъектов жидкости или газов. Перемещение возможно за счет разности плотностей, обусловленной неодинаковой температурой отдельных участков объема системы (естественная, или свободная, конвекция), а также путем принудительного их перемещения в результате внешних механических воздействий с помощью насосов, компрессоров, воздуходувок и т. п, (вынужденная конвекция).

Тепловое излучение (лучеиспускание) — перенос теплоты в виде электромагнитных волн, излучаемых нагретым телом.

Указанные механизмы распространения  теплоты редко встречаются в  чистом виде. Обычно они сопутствуют друг другу — происходит так называемый сложный теплообмен.

Конвекция — процесс распространения  теплоты в жидкости или газе от поверхности твердого тела или наоборот. Процесс передачи теплоты одновременно конвекцией и теплопроводностью  называют теплоотдачей.

При теплоотдаче теплота передается от стенки через тонкий пограничный  слой теплопроводностью, а затем  в поток (ядро) жидкости конвекцией.

Основным законом теплоотдачи  является закон Ньютона, согласно которому количество теплоты dQ_K0HB, переданное конвекцией от поверхности к окружающей среде (или наоборот), пропорционально поверхности теплообмена dF, разности температур поверхности t_ст и окружающей среды t_f и времени dx проведения процесса: dQ_KOHB = a(t_CT-t_f)dFdт.

Коэффициент пропорциональности называется коэффициентом теплоотдачи и показывает, какое количество теплоты передается от теплообменной поверхности 1 м² в окружающую среду или наоборот в течении 1 с при разности температур теплообменной поверхности и окружающей среды 1 К.

Коэффициент теплоотдачи не является постоянной величиной для рассматриваемой среды и зависит в первую очередь от гидродинамических условий течения жидкости вдоль теплопередающей поверхности, а также плотности, вязкости, удельной теплоемкости и других параметров. Теплопередача — процесс передачи теплоты от более нагретой среды к менее нагретой среде через стенку.

Коэффициент теплопередачи показывает, какое количество теплоты переходит в единицу времени от более нагретого к менее нагретому теплоносителю через разделяющую их стенку с площадью поверхностью 1 м² при разности температур между теплоносителями один градус.

В случае рассмотрения процесса передачи теплоты через стенку цилиндрической формы механизм теплопередачи остается прежним, а количество теплоты, передаваемой на каждой стадии.

 

Описание схемы работы теплообменника. Рабочие параметры

 

В разборных конструкциях теплообменников  типа «труба в трубе» внутренние трубы  при повышении температуры могут  удлиняться независимо от наружных. Конструкция  аппаратов позволяет осуществлять регулярную механическую очистку внутренней поверхности теплообменных труб от загрязнений, а также при необходимости вынимать трубы для их замены или механической очистки наружной поверхности.

В многопоточных теплообменных  аппаратах распределительная камера служит для распределения потока по теплообменным трубам. Между решетками теплообменных и кожуховых труб расположена распределительная камера для среды, протекающей по кольцевому пространству в кожуховых трубах. Многопоточные теплообменники имеют два хода по внутренним трубам и два по наружным.

В аппарате этого типа легче обеспечить большие, чем в кожухотрубчатых теплообменниках, скорости движения потоков, что позволяет  иметь и более высокие коэффициенты теплопередачи и большие значения теплонапряженности поверхности нагрева. Кроме того, в аппаратах типа «труба в трубе» легче осуществить противоток между теплообменивающимися средами, что также способствует более высокой эффективности теплообмена.

Поверхность теплообменных аппаратов  рассматриваемого типа в меньшей степени подвержена загрязнению продуктами коррозии и механическими примесями, содержавшимися в теплообменивающихся средах. Во многих случаях аппараты типа «труба в трубе» работают с более высокими тепловыми показателями, чем кожухотрубчатые теплообменники.

В теплообменных аппаратах разборной  конструкции внутренние трубы в ряде случаев с наружной поверхности выполняются с оребрением, позволяющим в 4 —5 раз увеличить их поверхность теплообмена. Оребрение внутренних труб используют, как правило, в тех случаях, когда со стороны одной из теплообменивающихся сред трудно обеспечить высокий коэффициент теплоотдачи (движется газ. вязкая жидкость, поток имеет ламинарный характер и т.п.). В этом случае оребренпе поверхности со сто- роны такой теплообменивающейся среды позволяет значительно увеличить количество переданного тепла.

Варианты оребрения трубы: ребра  можно изготовить в виде штампованных корыт, приваренных контактной сваркой  или из полос, которые вставляют  в канавки, а затем закрепляют обжатием кромок (завальцовка ребер роликами). Ребра могут быть получены накаткой или выдавливанием из металла трубы. Применяют также ребристые трубы с приварными штамп.

Для повышения эффективности теплообмена  в трубном пространстве используют методы воздействия на поток устройствами, разрушающими и турбулизирующими движение потока в трубе. Это различного рода турбулизирующие вставки, вял ленточные, завихрители, установленные по всей длине трубы, обеспечивают закрутку потока, что является одним из эффективных способов интенсификации теплообмена в трубах. Широкое распространение из-за простоты изготовления получили ленточные завbхрители. Наиболее эффективная закрутка потока при этом реализуется, если лента вставлена в трубу практически без зазора. Дополнительный эффект в этом случае заключается в том. что винтовая вставка увеличивает поверхность теплообмена и воспринятое ею тепло посредством теплопроводности передается в стенку трубы.

Отечественные машиностроительные заводы освоили производство диафрагмированных труб, которые изготавливаются путем нанесения на гладкие трубы поперечных вертикальных (см. ХХП-14 a) или наклонных спиральных (см. ХХП-14. а) канавок. Вместо наклонных канавок можно устанавливать внутри труб турбулизаторы, представляющие собой спиральную проволоку. Приведен турбулизатор, применяемый при движении внутри трубы вяких продуктов или тогда, когда при необходимости требуется обеспечить на большой длине небольшое гидравлическое сопротивление.

Недостатками теплообменных аппаратов  типа «труба в трубе» по сравнению с кожухотрубчатыми аппаратами являются большие габариты, а также более высокий расход металла на единицу поверхности нагрева.

Теплообменные аппараты типа «труба в трубе» жесткой конструкции, так  же как и кожухотрубчатые с  неподвижными решетками, используются при сравнительно небольшой разности температур тепло обменивающихся сред и при теплообмене незагрязненных жидкостей (частая очистка кольцевого пространства не требуется).

В теплообменных аппаратах типа «труба в трубе» разборной конструкции сравнительно легко очищаются внутренняя и наружная поверхности труб; эти аппараты обладают высоким коэффициентом теплопередачи и являются надежными в эксплуатации.

Коэффициент теплоотдачи.

Важнейшей и наиболее трудоемкой частью технологического расчета поверхности теплообменного аппарата является вычисление коэффициентов теплоотдачи. Методы определения этих величин изучаются в специальном курсе теплопередачи, здесь же приводится ряд формул, которыми и рекомендуется пользоваться при расчете теплообменных аппаратов. Коэффициент теплоотдачи от движущегося жидкого или газообразного потока зависит от режима движения: при ламинарном (струйном) потоке коэффициенты теплоотдачи обычно малы, а при турбулентном потоке более высоки и возрастают с увеличением степени турбулентности. Режим потока устанавливается в зависимости от значения безразмерного критерия Рейнольдса.

Поверхность теплообмена.

При известных количествах переданного  тепла, средней разности температур между теплообменивающими средами  и коэффициенте теплопередачи поверхность теплообмена определяется делением тепла на произведение средней разности температур и коэффициента теплопередачи.

Это справедливо для плоской  стенки, а также для труб, если толщина стенки мала по сравнению  с диаметром. Этим же уравнением следует пользоваться и для труб с относительно большой толщиной стенки, но в этом случае поверхность теплообмена должна вычисляться по среднему диаметру.

Если коэффициент теплопроводности стенки трубы достаточно высок (стенка металлическая), а коэффициенты теплоотдачи а < 1000. то величину среднего диаметра определяют по другому.

Наконец, если один из коэффициентов  теплоотдачи значительно превосходит  другой, то средний диаметр практически  равен внутреннему или наружному  диаметру трубы.

Средний температурный напор.

В большинстве производственных процессов  тепло передается при переменных температурах одного или обоих теплообменивающихся  потоков. Очевидно, в этом случае разность температур, или температурный напор, пропорционально которому передается тепло, также будет величиной переменной, меняющейся вдоль поверхности нагрева. В связи с этим возникает необходимость определения средней разности температур (среднего температурного напора) между теплообменивающимися средами. Это среднее значение температурного напора, естественно, зависит от характера изменения температур потоков вдоль поверхности теплообменного аппарата, который может быть различным К наиболее характерным случаям относятся: прямоток, противоток, перекрестный ток и смешанный ток.

Сопоставление температурных режимов работы теплообменных аппаратов при прямотоке и противотоке позволяет отметить, что при прямотоке максимальный температурный напор наблюдается у входа в теплообменный аппарат затем этот напор уменьшается, достигая своего минимального значения у выхода из аппарата. В противоположность этому при противотоке температурный напор более равномерно распределяется вдоль поверхности. Вследствие такого распределения температурного напора при прямотоке поверхность теплообмена в тепловом отношении загружена неравномерно при противотоке тепловая нагрузка является более равномерной.

Еще одно важное достоинство противотока: конечная температура нагревающейся  среды может быть выше конечной температуры  охлаждающейся среды. Это обстоятельство позволяет при регенерации тепла обеспечить более высокий подогрев нагреваемой среды а при охлаждении снизить расход охлаждающего агента и при том же его расходе понизить конечную температуру охлаждаемого продукта.