Тепловой расчет теплообменных аппаратов

Российский Государственный  Университет

Нефти и газа им. И.М.Губкина

Кафедра термодинамики  и тепловых двигателей

 

 

Курсовая работа по теплотехнике:

«Тепловой расчет теплообменных аппаратов»

 

 

Вариант № 5

 

 

 

                                              Проверил:  проф.

Шотиди К. Х.

 

                                              Выполнил: Воробьев Антон

                                        ХТ-11-04

 

 

 

 

 

Москва 2013

 

Оглавление

 

 

 

 

 

1. Введение. Классификация теплообменных аппаратов

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 ( ).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Конструктивный тепловой расчёт.

Исходные данные:

Теплоноситель	Массовый расход G, кг/с	Температура на входе в ТА t’, °C	Температура на выходе из ТА t”, °C
Горячий: керосин	9	159	89
Холодный: Нефть	-	25	81

 

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

Определим среднюю арифметическую температуру теплоносителей.

°C

°C

Теплоноситель	Средняя температура tср, °C	Удельная массовая теплоёмкость cpm, Дж/(кг∙К)	Коэффициент теплопровод-ности λ, Вт/(м∙К)	Кинематический коэффициент вязкости ν, 106 м2/с	Плотность ρ, кг/м3	Число Pr
Керосин	124	2500	0,1004	0,587	747	11,0
Нефть	53	2027	0,1232	5,6	844	76

 

Определим мощность теплообменного аппарата.

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

Расчитаем массовый расход нефти

Q₂=η∙Q₁

 

 

Мощность теплообменного аппарата

Определим среднюю разность температур между теплоносит. θ_m.

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

_,

 где 

       

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

Площади проходных сечений:

, где w – скорость течения теплоносителя в ТА.

Выберем скорости теплоносителей в соответствии с рекомендациями:

Керосин:   ω₁=1,75 м/с;

Нефть:   ω₂=0,6 м/с.

Выбираем противоток P=1.

 

 

 

Определим водяной эквивалент kF и площадь поверхности F теплообмена ТА.

 

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.

- данной величиной пренебрегаем.

 – коэффициент теплопроводности  стенки теплообменных труб.

 

α_тр=12500 Вт/(м²К);

 α_мтр=325 Вт/(м²К);

 

м²К/Вт

м²К/Вт 

Вт/(м²К)

 

Площадь поверхности теплообмена ТА:

 

Предварительный выбор  ТА по каталогу.

а) Dt=t_cp1-t_cp2=124-53=71<80 °С 
  Следовательно, выбираем кожухотрубный ТА с неподвижными решетками.

б) По значениям вязкости теплоносителей направляем керосин в трубное, а нефть в межтрубное пространство.

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

 

Характеристики ТА:

Диаметр кожуха, мм		Наруж. диам. труб dн, мм	Число ходов по трубам nx	Площадь проходного сечения f·10-2, м2			Площ. пов. теплооб F, м2
Наруж	Внут.			Одного хода по тр. fтр	В вырезе перегородки fв.п.	Между перегородками fм.п.	Длина тр. l=6000 мм.
-	800	25	6	2,2	7,0	7,0	181

 

 

 

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

 

Коэффициент теплоотдачи  в трубном пространстве:

Re, Pr, Gr – числа подобия теплоносителя, движущегося в теплообменных трубах ТА, при средней арифметической температуре потока;

Pr_c – число Прандтля теплоносителя, движущегося в теплообменных трубах ТА, при средней температуре стенки тубы;

λ_тр – коэффициент теплопроводности теплоносителя, движущегося в теплообменных трубах ТА.

Средняя скорость теплоносителя в  трубном пространстве выбранного стандартного ТА: 

                                                   

Число Рейнольдса:

                                 

Re >10⁴ следовательно, режим турбулентный, из таблицы определяем следующие константы:

C=0,021;    j=0,8;   y=0,43;   i=0; 

Определим из таблицы при :

Подставим:

 

 

Рассчитаем 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:

Выберем расположение труб в пучке в виде треугольника.

Вычислим среднюю скорость теплоносителя  в межтрубном пространстве:

 

Посчитаем число Рейнольдса:                   

                                    

Выбираем коэффициенты:

m=0,6;  n=0,36;  C₁=0,36;

C=0,671;  C_z=0,96;

Рассчитаем  :

 

 

Уточняем k:

Уточняем F_расч.:

м²;

Выбор теплообменного аппарата по каталогу:

Диаметр кожуха, мм		Наруж. диам. труб dн, мм	Число ходов по трубам nx	Площадь проходного сечения f·10-2, м2			Площ. пов. теплооб F, м2
Наруж	Внут.			Одного хода по тр. fтр	В вырезе перегородки fв.п.	Между перегородками fм.п.	Длина тр. l=6000мм.
-	800	25	6	2,2	7,0	7,0	181

 

Площадь поверхности теплообменника равна 181,0 м². Длина трубы l = 6000 мм.

Для удовлетворения поверхности теплообмена необходим 1 кожухотрубный теплообменный аппарат с неподвижными решетками.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                     III. Проверочный тепловой расчет

Определяем  фактическую тепловую мощность выбранного аппарата:

                                                                

Вычислим приведенный водяной  эквивалент :

                                                                   Дж/c·К                                                   

 Дж/с·К           

Определим индекс противоточности Р:

,

                

DR=1.25-1.21=0,04

По значениям этих характеристик  с учетом схемы движения теплоносителей (число ходов по трубному и межтрубному пространству) из графиков определяется εDt – коэффициент, учитывающий различие между средней логарифмической разностью температур между теплоносителями для противоточной схемы движения qmL и действительной средней разностью температур qm .

εDt=1

 Q_m = e_Dt Q_mL 
Отсюда P=1.

 Вт/К

kF=k×F_ст=120,8×181=21865

Итак, тепловая мощность равна:

 

Определим действительные температуры теплоносителей на выходе теплообменного аппарата:

 

                                                 

                                                 

Вычислим погрешности  найденных температур:

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                               

IV.Графическая часть курсовой работы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Список литературы

1. Калинин А. Ф. Расчёт и выбор кожухотрубного теплообменного аппарата. – М.: РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина, 2002
2. Поршаков Б.П. и др. Теплотехника. Часть 2. Теплопередача. – М.: РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина, 2006
3. Трошин А. К., Калинин А. Ф., Купцов С. М.. Термодинамические и теплофизические свойства рабочих тел теплоэнергетических установок. – М.: МПА-ПРЕСС, 2006