Российский  государственный  университет нефти  и газа

им. И.М.Губкина 

Кафедра термодинамики и  тепловых двигателей 
 
 
 
 
 

Курсовая  работа: «Тепловой  и гидравлический расчёт теплообменных  аппаратов» 
 
 
 
 

                                                                            Выполнил: студент группы РН-05-1

                                                                           Пятаев Т.Р. 

                                                       Проверил:  Шотиди К.Х 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Москва 2007

Оглавление:

• Введение:

• Классификация теплообменных аппаратов

    В процессах нефте- и газопереработки  для обеспечения необходимой температуры в аппаратах требуется подводить и отводить тепло. Для этого на технологических установках широко используются специальные аппараты, называемые теплообменными или теплообменниками.

    В аппаратах, предназначенных для  нагрева или охлаждения, происходит теплообмен между двумя потоками, при этом один из них нагревается, а другой охлаждается. Поэтому вне зависимости от того, что является целевым назначением аппарата: нагрев или охлаждение, их называют теплообменными аппаратами. Кожухотрубный аппарат представляет из себя пучок теплообменных труб, находящихся в цилиндрическом корпусе (кожухе). Один из теплоносителей движется внутри теплообменных труб, а другой омывает поверхность труб. Концы труб закрепляются с помощь вальцовки, сварки или пайки в трубных решетках. В кожух теплообменного аппарата с помощью дистанционных трубок устанавливаются перегородки. Перегородки поддерживают трубы от провисания и организуют поток теплоносителя в межтрубном пространстве, интенсифицируя теплообмен. К кожуху теплообменного аппарата привариваются штуцеры для входа и выхода теплоносителя из межтрубного пространства.

    Применительно к нефтегазоперерабатывающей промышленности теплообменные аппараты классифицируются по способу передачи тепла и назначению.

В зависимости от способа передачи тепла аппараты делятся на следующие группы:

• Поверхностные теплообменные аппараты, в которых передача тепла между теплообменивающимися средами осуществляется через поверхность, разделяющую эти среды.
• Аппараты смешения, в которых передача тепла между теплообменивающимися средами происходит при их непосредственном контакте.

В зависимости от назначения аппараты делятся  на следующие группы.

• Теплообменники - в них один поток нагревается за счет использования тепла другого, получаемого в технологическом процессе и подлежащего в дальнейшем охлаждению.
• Нагреватели, испарители, кипятильники - в них нагрев или частичное испарение осуществляется за счет использования высокотемпературных потоков нефтепродуктов или специальных теплоносителей (водяной пар, масло и др.).
• Холодильники и конденсаторы - они предназначены для охлаждения потока или конденсации паров с использованием специального охлаждающего агента (вода, воздух, испаряющийся аммиак, пропан и др.).
• Кристаллизаторы предназначены для охлаждения соответствующих жидких потоков до температур, обеспечивающих образование кристаллов некоторых составляющих смесь веществ. В качестве охлаждающего агента используются вода или специальные хладагенты в виде охлажденных рассолов, испаряющихся аммиака, пропана и др.

Поверхностные теплообменные аппараты классифицируются в  зависимости от их конструкции. К их числу относятся  следующие:

• Кожухотрубчатые теплообменные аппараты с неподвижными трубными решетками (рис. 1).

Рис. 1. Кожухотрубчатый  теплообменник с неподвижными трубными решетками:

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

   В зависимости от числа перегородок  в распределительной камере кожухотрубчатые теплообменные аппараты делятся на:

• одно-, двух- и многоходовые в трубном пространстве;
• аппараты   многоходовые    в   межтрубном    пространстве    с    продольными 
  перегородками;
• аппараты    с    поперечными    перегородками    сегментными,    секторными, кольцевыми и др.

   Теплообменники  этого типа применяют при разнице  температур теплообменивающихся сред, проходящих через трубки и межтрубное пространство, не более 50° и при  сравнительно небольшой длине аппарата.

Достоинством  аппаратов этого типа является простота конструкции и, следовательно, меньшая стоимость.

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

• Кожухотрубчатые теплообменные аппараты с плавающей головкой (с подвижной трубной решеткой) являются наиболее распространенным типом поверхностных аппаратов (рис.2). Подвижная трубная решетка позволяет трубному пучку свободно перемещаться независимо от корпуса.

Рис. 2. Кожухотрубчатый  теплообменник 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 

По кожуху (межтрубному пространству) аппараты с плавающей головкой чаще всего  выполняют одноходовыми. В аппаратах  с двумя ходами по корпусу устанавливают  продольную перегородку, что обеспечивает противоток потоков.

• Кожухотрубчатые теплообменные аппараты с температурным компенсатором. В этих аппаратах для частичной компенсации температурных напряжений используют специальные гибкие элементы (расширители, компенсаторы), расположенные на корпусе. Вертикальный кожухотрубчатый испаритель с неподвижными трубными решетками (рис. 3) отличается установкой между двумя частями кожуха 4 линзового компенсатора 3.

Рис. 3. Вертикальный кожухотрубчатый  испаритель с неподвижными трубными решетками  и температурным  компенсатором на корпусе:

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. 

В аппаратах подобного типа используют одно- и многоэлементные линзовые компенсаторы

• Кожухотрубчатые теплообменники с U-образными трубками (см. рис. 4) имеют одну трубную решетку, в которую ввальцованы оба конца U-образных трубок, что обеспечивает свободное удлинение трубок при изменении их температуры. Преимущество теплообменников с U-образными трубками - отсутствие разъемного соединения внутри кожуха, что позволяет успешно применять их при повышенных давлениях. Недостатком таких аппаратов является трудность чистки внутренней и наружной поверхности труб, вследствие которой они используются преимущественно для чистых продуктов.

Рис. 4. Кожухотрубчатый  теплообменник с U-образными  трубками:

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

• Кожухотрубчатые теплообменные аппараты с двойными трубками. В таких аппаратах имеются две трубные решетки, размещенные с одной стороны аппарата. В одной трубной решетке развальцованы трубы меньшего диаметра, верхние концы которых открыты, в другой трубы большего диаметра, нижние концы которых заглушены. Такая конструкция обеспечивает      независимое удлинение труб.
• Кожухотрубчатые теплообменные аппараты с витыми трубками используют в нефтегазопереработке для теплообмена между средами, одна из которых находится под высоким давлением.

   Эффективность кожухотрубчатых теплообменных  аппаратов повышается с увеличением  скорости движения теплообменивающихся  потоков и степени их турбулентности. Для повышения скорости движения потоков в межтрубном пространстве и обтекаемости поверхности теплообмена, создания большей турбулентности потоков и организации движения теплоносителя в направлении перпендикулярном к оси труб, в кожухотрубчатых теплообменных аппаратах устанавливают специальные поперечные перегородки. Они выполняют также роль опор трубчатого пучка, фиксируют трубы на заданном расстоянии одна от другой и уменьшают вибрацию труб.

   На  рис. 5 показаны поперечные перегородки разных типов. Наибольшее распространение получили сегментные перегородки (см. рис. 5, а). Высота вырезаемого сегмента равна примерно 1/3 диаметра аппарата, а расстояние между перегородками - около 0,5 диаметра аппарата. Поперечные перегородки с секторным вырезом (см. рис. 5, б) оснащены дополнительной продольной перегородкой, равной по высоте половине диаметра аппарата. Секторный вырез, по площади равный четверти сечения аппарата, располагают в соседних перегородках в шахматном порядке. При этом теплоноситель в межтрубном пространстве совершает вращательное движение то по часовой стрелке, то против нее.

Рис 5. Поперечные перегородки кожухотрубчатых аппаратов:

 а-с  сегментным вырезом; б- с секторным  вырезом; в - кольцевые; г - с  щелевым вырезом; д - «сплошные» 

     Аппараты  со «сплошными» перегородками (см. рис. 5, д) используют обычно для чистых жидкостей. В этом случае жидкость протекает по кольцевому зазору (около 1,5 мм) между трубой и перегородкой,

   В зависимости от характера  направления потоков теплообменные аппараты делятся на прямоточные, противоточные, смешанного и перекрестного тока.

• Теплообменные аппараты типа «труба в трубе» по конструкции делятся на однопоточные (неразборные и разборные) и многопоточные.

Теплообменный аппарат типа «труба в трубе» (рис. 6)

Во многих случаях аппараты типа «труба в трубе» работают с более высокими тепловыми  показателями, чем кожухотрубчатые  теплообменники.

     В теплобменных 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.).

Рис. 7. Разборный многопоточный теплообменный аппарат типа «труба в трубе»:

1 - первая распределительная камера; 2 - решетка теплообменных труб; 3 - вторая распределительная камера; 4 - решетка кожуховых труб; 5 - опора; 6 - теплообменная труба; 7 - кожуховая труба;

8 - поворотная камера; 9 - двойник 

     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, варианты исполнения которых представлены на рис. 8

Рис. 8. Трубы с турбулизаторами:

а - шнековые завихрители; б - ленточные завихрители; в - диафрагмовые трубы с вертикальными канавками; г - диафрагмовые трубы с наклонными канавками; д - трубы со спиральной проволокой;

е - турбулизатор фирмы "Sulzer" 

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 теплообменивающихся сред и при теплообмене незагрязненных жидкостей.

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.

• Спиральные теплообменники имеют поверхность теплообмена 10-100 м², они работают как под вакуумом, так и при давлении до 1 МПа при температуре рабочей среды от -20 до +200 °С. В этих аппаратах может осуществляться теплообмен между рабочими средами жидкость-жидкость, газ-газ и газ-жидкость, а также могут конденсироваться пары и парогазовые смеси.

Рис. 9. Спиральный теплообменник:

а - общий вид; б - уплотнение с торцов лент в аппаратах с тупиковыми каналами; в -уплотнение с торцов лент в аппаратах со сквозными каналами; 1,2 - ленты, свернутые в спираль; 3 - крышка; 4 - прокладка; 5 - дистанционные проставки. 

     Различают спиральные теплообменники с тупиковыми и сквозными каналами.

Достоинством  спиральных теплообменников является компактность, легкость создания высоких  скоростей движения теплообменивающихся  сред и, как следствие, более высокие  тепловые показатели (коэффициент теплопередачи, тепловая напряженность).

К недостаткам  аппаратов этой конструкции относятся  сложность изготовления и трудность  обеспечения плотности соединений.

• Пластинчатые теплообменники представляют собой аппараты, поверхность которых образована набором тонких штампованных пластин с гофрированной поверхностью. Их различают по степени доступности поверхности теплообмена для осмотра и механической чистки на разборные, разборные со сдвоенными пластинами (полуразборные) и неразборные сварные или паяные. В пластинчатых теплообменниках можно осуществить теплообмен между рабочими средами жидкость-жидкость, пар-жидкость, пар + газ - жидкость, газ-жидкость, газ-газ при давлении до 4 МПа, при температуре рабочей среды от -100 до +300 °С. Пластинчатые теплообменники могут применяться для теплообмена между тремя, четырьмя и большим числом сред в одном аппарате.

   Наиболее  широко применяют разборные пластинчатые теплообменники (рис.   10), в которых гофрированные пластины 2 отделены одна от другой прокладками 3.

Рис. 10. Схема разборного пластинчатого теплообменника:

1 - неподвижная  плита  2 - гофрированные пластины; 3 - прокладки; 4 – нажимная плита

Потоки: I - горячий теплоноситель; II - нагреваемый  теплопродукт.

• Погружные аппараты. Специфической особенностью аппаратов этого типа является наличие емкости-ящика, в которую погружены теплообменные трубы. В ящике находится охлаждающая среда, например вода. Аппараты этого типа используют в качестве холодильников или конденсаторов-холодильников.

   Различают   змеевиковые   и   секционные   аппараты.   Принципиальное   устройство однопоточного погружного конденсатора-холодильника показано на рис. 11

Рис. 11.  Схема однопоточного погружного змеевикового конденсатора-холодильника:

Потоки: I - холодная вода; II –пары нефтепродукта. III – нагретая вода. IV - охлажденный нефтепродукт. 

К недостаткам  аппаратов подобного типа относятся  их громоздкость и повышенный расход металла. Кроме того, в ящике велико свободное сечение для прохода  воды, вследствие чего скорость движения воды мала и относительно малы коэффициенты теплоотдачи от стенок змеевика к воде.

• Аппараты воздушного охлаждения (АВО). Широкое распространение в промышленности получили аппараты воздушного охлаждения, в которых в качестве охлаждающего агента используется поток атмосферного воздуха, нагнетаемый специально установленными вентиляторами.

Использование аппаратов этого типа позволяет  осуществить значительную экономию охлаждающей воды, уменьшить количество сточных вод, исключает необходимость очистки наружной поверхности теплообменных труб. Эти аппараты используются в качестве конденсаторов и холодильников.

• Теплообменные аппараты смешения. В теплообменных аппаратах смешения тепло передается от одной среды к другой путем непосредственного контакта теплообменивающихся потоков. Такой метод передачи тепла позволяет значительно сократить расход металла на изготовление аппаратов. Однако применять этот способ можно только в тех случаях, когда допустимо смешение потоков. Например, воду можно нагреть за счет использования тепла водяного пара при их прямом смешении; тепло, выделяемое конденсирующимся паром, непосредственно воспринимается водой. Применение поверхностного аппарата в таких случаях является неоправданным.

Теплообменные аппараты смешения классифицируются по следующим основным признакам.

• В зависимости от агрегатного состояния смешиваемых потоков теплообмен может осуществляться между средами, находящимися в парообразном (газообразном), жидком или твердом состоянии.
• В зависимости от способа смешения потоков оно может быть одно- или многоступенчатым при прямоточном или противоточном движении смешивающихся сред.
• В зависимости от внутреннего устройства, обеспечивающего смешение, аппараты могут быть со специальными распиливающими и распределительными устройствами; каскадные, снабженные специальными полками или перегородками (способствующими смешению); насадочные, в которых контакт происходит в основном на поверхности насадки.

II. Конструктивный тепловой расчёт.

1) Исходные данные.

Определение теплофизических  свойств горячего и холодного теплоносителей (с_pm, λ, ν, ρ, Pr).

Определим среднюю арифметическую температуру теплоносителей.

Определим мощность теплообменного аппарата.

η –  коэффициент, учитывающий тепловые потери в окружающую среду (от 0,95 до 0,98). Примем η=0,97.

 Вт

Расчитаем массовый расход мазута.

Q₂=η∙Q₁

 Вт

кг/с 
 

Определим среднюю разность температур между  теплоносителями  θ_m.

Для противоточной  схемы движения теплоносителей средняя разность температур между теплоносителями θ_m рассчитывается по уравнению Грасгофа:

Определим оптимальный диапазон площадей проходных  сечений (f₁, f₂) и минимального индекса противоточности P_min ТА.

Выберем скорости теплоносителей:

керосин – ω₁=2 м/с;

вода – ω₂=1 м/с.

м²

м²

Выбираем  противоток P=1. 

Определим водяной эквивалент kF и площадь поверхности F теплообмена ТА.

Вт/К 

Коэффициент теплопередачи от горячего к холодному  теплоносителю определяется по соотношению:

где , – коэффициенты теплоотдачи в трубном и межтрубном пространстве;

и – термические сопротивления загрязнений на внутренней и наружной поверхности теплообменных труб;

 – толщина стенки теплообменных  труб кожухотрубных ТА (от 1,5 до 3 мм). Примем  м.

 – коэффициент теплопроводности  стенки теплообменных труб. 

Примем:

α_тр=800 Вт/(м²К);

 α_мтр=1000 Вт/(м²К);

м²К/Вт;

 м²К/Вт;

= 25,5 Вт/(м^.К) – коэффициент теплопроводности стали хромистой нержавеющей 2Х13;

 м²К/Вт.

 Вт/(м²К)

В итоге  площадь поверхности теплообмена  ТА:

м² 

2) Предварительный  выбор ТА по каталогу.

а) Выбираем теплообменный аппарат с неподвижными трубными решетками и температурным компенсатором на кожухе.

б) По значениям  вязкости теплоносителей и термических  загрязнений направляем керосин в трубное, а воду в межтрубное пространство.

в) По диапазону  площадей проходных сечений трубного и межтрубного пространства, а  также по величине расчётной площади  поверхности теплообмена, предварительно выбираем следущий ТА. 

Характеристики  ТА: