Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Устройство для передачи тепла

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

(ФГБОУ ВПО «ВГТУ»)

ФАКУЛЬТЕТ ВЕЧЕРНЕГО И ЗАОЧНОГО ОБУЧЕНИЯ

Курсовой проект

По дисциплине: «Теплотехника»

РАСЧЕТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

Разработал: ст. гр. НГД-091 Варварин С.А.

Принял: проф. Булыгин Ю. А.

Защищен:_____________

Оценка:_______________

ВОРОНЕЖ 2013

Задание на курсовой проект

Вариант №4.

Выполнить тепловой, гидравлический расчёты, а также сборочный чертёж теплообменного аппарата, входящего в установку подогрева нефти (УПН).

Установка подогрева нефти (УПН), представленная на рис.1, используется для подогрева нефтепродуктов в технологических нефтепроводах. Нагрев нефтепродуктов осуществляется в теплообменнике, устанавливаемом в разрыве нефтепровода, с помощью теплоносителя, нагреваемого в нагревательном блоке.

Установка подогрева нефти работает по двухконтурной схеме. Первый контур (греющий) - индуктивно-кондуктивные электронагреватели и теплообменник, второй контур - теплообменник и подогреваемый трубопровод.

Разогрев промежуточного теплоносителя производится в тепловом пункте, расположенном в 30-40 метрах от трубопровода. В тепловом пункте находится нагревательное оборудование, система автоматического управления, система дополнительного отопления.

УПН позволяет производить нагрев нефти перед узлами учета, подогрев высоковязкой нефти, подогрев нефти при зимней эксплуатации низкодебетных скважин. Помимо прочего, использование установки УПН позволяет увеличить производительность перекачки нефти в технологических трубопроводах и обеспечить необходимую точность показаний счетчиков нефти на узлах учета.

Рис. 1. Установка подогрева нефти.

Исходные данные для расчёта:

Тип аппарата кожухотрубный;
Греющая среда вода;

температура: на входе t'₁= 86, °С;

на выходе t''₁= 65, °С;

массовый расход G₁= ? , кг/с;

скорость w₁= 3, м/c.

Нагреваемая среда нефть;

температура: на входе t'₂= 6, °С;

на выходе t''₂= 51, °С;

массовый расход G₂= 20, кг/с;

скорость w₂= 4, м/c.

Геометрические характеристики поверхности теплообмена:

Внутренний диаметр трубок d₁ = 0,020, м;

Наружный диаметр d₂ = 0,022, м;

Толщина стенки трубок δ = 0,001, м;

Параметр D' = 0,241, м;

Материал трубок сталь;

Кольцевой зазор 0,005, м

Задание выдано «___» ______________ 2013 г.

Руководитель ____________________профессор Ю.А. Булыгин

Работа должна быть выполнена не позднее 01.02.2013 г.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 5

1 Теоретическая часть 6

1.1 Классификация теплообменных аппаратов 6

1.2 Кожухотрубные теплообменники 9

1.3 Элементные (секционные) теплообменники 10

1.4 Двухтрубные теплообменники типа «труба в трубе» 11

1.5 Витые теплообменники 13

1.6 Оросительные теплообменники 14

1.7 Ребристые теплообменники 14

1.8 Погружные теплообменники 15

1.9 Спиральные теплообменники 16

1.10 Пластинчатые теплообменники 17

2 Расчетная часть. 19

2.1. Тепловой расчет 19

2.1.1 Уравнения теплового баланса и теплопередачи 19

2.1.2 Определение режимов работы теплоносителей 20

2.1.3 Определение коэффициента теплоотдачи со стороны греющего теплоносителя 21

2.1.4 Определение коэффициента теплоотдачи со стороны нагреваемого теплоносителя 23

2.1.5 Уточнение температуры стенки 24

2.1.6 Уточненный расчет коэффициентов теплоотдачи 25

2.1.7 Определение теплопроизводительности аппарата 26

2.2 Гидравлический расчет 26

2.2.1 Определение суммарных потерь в трубном пространстве 26

2.2.2 Определение потерь в межтрубном пространстве 29

Заключение 32

Библиографический список 33

ПРИЛОЖЕНИЕ А (обязательное) Эскиз теплообменного аппарата 34

ПРИЛОЖЕНИЕ Б (справочное) Физические свойства воды и нефти в зависимости от температуры 35

Введение

Теплообменник – это устройство для передачи тепла от нагретого (жидкого или газообразного) теплоносителя более холодному. Примером может служить аппарат для регенерации тепла отработанных газов на выходе турбины ГПА. Теплообменные аппараты применяются в авиационной и космической технике, энергетике, химической, нефтеперерабатывающей, пищевой промышленности, в холодильной и криогенной технике, в системах отопления и горячего водоснабжения, кондиционирования, в различных тепловых двигателях.

Тенденции развития современной промышленности и теплоэнергетики инициируют появление новых видов теплообменных установок, способных отвечать все более жестким условиям эксплуатации, а также участвовать в технологических процессах, где традиционные типовые теплообменники использовать невозможно. Таким образом, правильный выбор типа применяемого теплообменного оборудования является исключительно важной задачей.

В представленном курсовом проекте рассчитываются основные параметры кожухотрубного теплообменного аппарата. Курсовой проект по теории теплообмена является одной из важных форм изучения курса и имеет целью способствовать развитию творческой активности студентов, развитию навыков инженерного мышления и выполнения технических расчетов, изучению и закреплению наиболее сложного теоретического материала курса, а также повышение инженерной эрудиции и математической культуры в целом.

1 Теоретическая часть

1.1 Классификация теплообменных аппаратов

Процессы теплообмена имеют большое значение в химической, энергетической, металлургической, пищевой и других отраслях промышленности. В теплообменных аппаратах теплопередача от одной среды к другой через разделяющую их стенку обусловлена рядом факторов и является сложным процессом, который принято разделять на три элементарных вида теплообмена: теплопроводность, конвекцию и тепловое излучение. На практике эти явления не обособлены, находятся в каком-то сочетании и протекают одновременно. Для теплообменников наибольшее значение имеет конвективный теплообмен или теплоотдача, которая осуществляется при совокупном и одновременном действии теплопроводности и конвекции.

Процессы теплообмена осуществляются в теплообменных аппаратах различных типов и конструкций.

Рисунок 1 – Классификация теплообменных аппаратов

По способу передачи тепла теплообменные аппараты делят на поверхностные и смесительные (рисунок 1). В поверхностных аппаратах рабочие среды обмениваются теплом через стенки из теплопроводного материала, а в смесительных аппаратах тепло передается при непосредственном перемешивании рабочих сред (при этом теплообмен сопровождается и массообменном).

Контактные теплообменники в свою очередь подразделяются на смесительные и барботажные. В аппаратах смесительного типа нагретые и менее нагретые теплоносители перемешиваются и образуют растворы или смеси. Примером могут являться различного типа скрубберы. В аппаратах барботажного типа более нагретый теплоноситель прокачивается через массу менее нагретого (или наоборот), не смешиваясь с ним.

Во всех поверхностных теплообменниках оба теплоносителя омывают обычно разделяющую их твердую стенку, которая таким образом участвует в процессе теплообмена. Такие теплообменники разделяются на рекуперативные и регенеративные.

В регенеративных аппаратах одна и та же поверхность теплообмена попеременно омываются то одним, то другим теплоносителем. В период нагрева, т.е. при проходе горючего теплоносителя, стенки теплообменника и набивка в виде шаров, колец и т.п. нагреваются, в них аккумулируется тепло, которое в период охлаждения отдается протекающему вторичному теплоносителю. Направление потока тепла в стенках периодически меняется – это аппараты периодического действия.

Примером таких установок являются воздухоподогреватели газотурбинных установок, воздухоподогреватели типа юнгстрем и др.

В рекуперативных аппаратах одна поверхность стенки все время омывается одним теплоносителем, а другая – другим. Тепло от одного теплоносителя к другому передается через разделяющую их стенку из теплопроводного материала.

Теплообменные аппараты классифицируются также по наличию или отсутствующие изменения агрегатного состояния теплоносителей. Имеются аппараты:

без изменения агрегатного состояния теплоносителей;
с изменением агрегатного состояния одного теплоносителя – конденсация пара (первичного теплоносителя) или кипения жидкости (вторичного теплоносителя);
с изменением агрегатного состояния обоих теплоносителей.

Все теплообменные аппараты поверхностного типа можно классифицировать по виду взаимного направления потоков теплоносителей. Существуют 3 основные схемы движения теплоносителей, применяются также их комбинации (рисунок 2):

Прямоток – движение двух теплоносителей параллельно друг к другу в одном и том же направлении.
Противоток – движение двух теплоносителей параллельно друг к другу в противоположных направлениях.
Перекрестный ток – движение двух теплоносителей во взаимно перпендикулярных направлениях.

Рисунок 2 – Схемы движения теплоносителей

а) прямоток, б) противоток, в) перекрестный ток

Можно также проводить классификацию по назначению (подогревателя, испарителя, холодильника, конденсатора), материалу поверхности теплообмена, числу ходов теплоносителя и т.д.

Рекуператоры в свою очередь различают по конфигурации поверхности теплообмена:

трубчатые аппараты с прямыми трубками;
трубчатые аппараты с U-образным трубным пучком;
спиральные;
пластинчатые;
змеевиковые;
ребристые.

По компоновке поверхности нагрева:

тип «труба в трубе»;
кожухотрубные аппараты;
оросительные аппараты (не имеющие ограничивающего корпуса) и некоторые другие.

Рассмотрим основные виды теплообменных аппаратов, получивших наибольшее распространение в промышленности.

1.2 Кожухотрубные теплообменники

Основными элементами кожухотрубных теплообменников являются пучки труб, трубные решетки, корпус, крышки, патрубки. Концы труб крепятся в трубных решетках развальцовкой, сваркой и пайкой (рисунок 3)..

Рисунок 3 – Кожухотрубный теплообменник

Для увеличения скорости движения теплоносителей с целью интенсификации теплообмена нередко устанавливают перегородки как и трубном, так и межтрубном пространствах.

Кожухотрубные теплообменники могут быть вертикальными, горизонтальными и наклонными в соответствии с требованиями технологического процесса или удобства монтажа. В зависимости от величины температурных удлинений трубок и корпуса применяют кожухотрубные теплообменники жесткой, полужесткой и нежесткой конструкции.

Аппараты жесткой конструкции используют при сравнительно небольших разностях температур корпуса и пучка труб; эти теплообменники отличаются простотой устройства.

В кожухотрубных теплообменниках нежесткой конструкции предусматривается возможность некоторого независимого перемещения теплообменных труб и корпуса для устранения дополнительных напряжений от температурных удлинений. Нежесткость конструкции обеспечивается сальниковым уплотнением на патрубке или корпусе, пучком U образных труб, подвижной трубной решеткой закрытого и открытого типа.

В аппаратах полужесткой конструкции температурные деформации компенсируются осевым сжатием или расширением специальных компенсаторов, установленных па корпусе. Полужесткая конструкция надежно обеспечивает компенсацию температурных деформаций, если они не превышают 10…15 мм, а условное давление в межтрубном пространстве составляет не более 2,5 кгс/см².

1.3 Элементные (секционные) теплообменники

Эти теплообменники состоят из последовательно соединенных элементов – секций (рисунок 4). Сочетание нескольких элементов с малым числом труб соответствует принципу многоходового кожухотрубного аппарата, работающего на наиболее выгодной схеме – противоточной. Элементные теплообменники эффективны в случае, когда теплоносители движутся с соизмеримыми скоростями без изменения агрегатного состояния. Их также целесообразно применять при высоком давлении рабочих сред. Отсутствие перегородок снижает гидравлические сопротивления и уменьшает степень загрязнения межтрубного пространства. Однако по сравнению с многоходовыми кожухотрубными теплообменниками элементные теплообменники менее компактны и более дороги из-за увеличения числа дорогостоящих элементов аппарата – трубных решеток, фланцевых соединений, компенсаторов и др. Поверхность теплообмена одной секции применяемых элементных теплообменников составляет 0,75—30 м², число трубок — от 4 до 140.

Рисунок 4 – Элементный (секционный) теплообменник

1.4 Двухтрубные теплообменники типа «труба в трубе»

Теплообменники этого типа состоят из ряда последовательно соединенных звеньев (рисунок 5). Каждое звено представляет собой две соосные трубы. Для удобства чистки и замены внутренние трубы обычно соединяют между собой «калачами» или коленами. Двухтрубные теплообменники, имеющие значительную поверхность нагрева, состоят из ряда секций, параллельно соединенных коллекторами. Если одним из теплоносителей является насыщенный пар, то его, как правило, направляют в межтрубное (кольцевое) пространство. Такие теплообменники часто применяют как жидкостные или газожидкостные. Подбором диаметров внутренней и наружной труб можно обеспечить обеим рабочим средам, участвующим в теплообмене, необходимую скорость для достижения высокой интенсивности теплообмена.

Преимущества двухтрубного теплообменника: высокий коэффициент теплоотдачи, пригодность для нагрева или охлаждения сред при высоком давлении, простота изготовления, монтажа и обслуживания.

Недостатки двухтрубного теплообменника — громоздкость, высокая стоимость вследствие большого расхода металла на наружные трубы, не участвующие в теплообмене, сложность очистки кольцевого пространства.

Рисунок 5 – Двухтрубный теплообменник типа «труба в трубе»

1.5 Витые теплообменники

Поверхность нагрева витых теплообменников компонуется из ряда концентрических змеевиков, заключенных в кожух и закрепленных в соответствующих головках (рисунок 6). Теплоносители движутся по трубному и межтрубному пространствам. Витые теплообменники широко применяют в аппаратуре высокого давления для процессов разделения газовых смесей методом глубокого охлаждения. Эти теплообменники характеризуются способностью к самокомпенсации, достаточной для восприятия деформаций от температурных напряжений.

Рисунок 6 – Витой теплообменник

1.6 Оросительные теплообменники

Оросительные теплообменники представляют собой ряд расположенных одна над другой прямых труб, орошаемых снаружи водой. Трубы соединяют сваркой или на фланцах при помощи «калачей». Оросительные теплообменники применяют главным образом в качестве холодильников для жидкостей и газов или как конденсаторы. Орошающая вода равномерно подается сверху через желоб с зубчатыми краями. Вода, орошающая трубы, частично испаряется, вследствие чего расход ее в оросительных теплообменниках несколько ниже, чем в холодильниках других типов. Оросительные теплообменники — довольно громоздкие аппараты; они характеризуются низкой интенсивностью теплообмена, но просты в изготовлении и эксплуатации. Их применяют, когда требуется небольшая производительность, а также при охлаждении химически агрессивных сред или необходимости применения поверхности нагрева из специальных материалов (например, для охлаждения кислот применяют аппараты из кислотоупорного ферросилида, который плохо обрабатывается).

1.7 Ребристые теплообменники

Ребристые теплообменники применяют для увеличения теплообменной поверхности оребрением с той стороны, которая характеризуется наибольшими термическими сопротивлениями. Ребристые теплообменники (калориферы) используют, например, при нагревании паром воздуха или газов. Важным условием эффективного использования ребер является их плотное соприкосновение с основной трубой (отсутствие воздушной прослойки), а также рациональное размещение ребер. Ребристые теплообменники широко применяют в сушильных установках, отопительных системах и как экономайзеры.

1.8 Погружные теплообменники

Теплообменники этого типа состоят из плоских или цилиндрических змеевиков (аналогично витым), погруженных в сосуд с жидкой рабочей средой. Вследствие малой скорости омывания жидкостью и низкой теплоотдачи снаружи змеевика погружные теплообменники являются недостаточно эффективными аппаратами. Их целесообразно использовать, когда жидкая рабочая среда находится в состоянии кипения или имеет механические включения, а также при необходимости применения поверхности нагрева из специальных материалов (свинец, керамика, ферросилид и др.), для которых форма змеевика наиболее приемлема.

1.9 Спиральные теплообменники

В спиральных теплообменниках поверхность нагрева образуется двумя тонкими металлическими листами, приваренными к разделительной перегородке (керну) и свернутыми в виде спиралей (рисунок 7). Для придания листам жесткости и прочности, а также для фиксирования расстояния между спиралями к листам с обеих сторон приварены дистанционные бобышки. Спиральные каналы прямоугольного сечения ограничиваются торцовыми крышками. Уплотнение каналов в спиральных теплообменниках осуществляют различными способами. Наиболее распространен способ, при котором каждый канал с одной стороны заваривают, а с другой уплотняют плоской прокладкой. При этом предотвращается смешение теплоносителей, а в случае неплотности прокладки наружу может просачиваться только один из теплоносителей. Кроме того, такой способ уплотнения дает возможность легко чистить каналы.

Если материал прокладки разрушается одним из теплоносителей, то один канал заваривают с обеих сторон («глухой» канал), а другой уплотняют плоской прокладкой. При этом «глухой» канал недоступен для механической очистки.

Уплотнение плоской прокладкой обоих открытых (сквозных) каналов применяют лишь в тех случаях, когда смешение рабочих сред (при нарушении герметичности) безопасно и не вызывает порчи теплоносителей.

Сквозные каналы также можно уплотнить, при более или менее постоянном давлении в каналах, спиральными U-образными манжетами, прижимаемыми силой внутреннего давления к выступам в крышке.

Спиральные теплообменники отличаются компактностью, малыми гидравлическими сопротивлениями и значительной интенсивностью теплообмена при повышенных скоростях теплоносителей.

Недостатки спиральных теплообменников – сложность изготовления и ремонта, невозможность применения их при давлении рабочих сред свыше 10 кгс/см².

Рисунок 7 - Спиральный теплообменник

1.10 Пластинчатые теплообменники

В последнее время распространены пластинчатые разборные теплообменники, отличающиеся интенсивным теплообменом, простотой изготовления, компактностью, малыми гидравлическими сопротивлениями, удобством монтажа и очистки от загрязнений (рисунок 8).

Эти теплообменники состоят из отдельных пластин, разделенных резиновыми прокладками, двух концевых камер, рамы и стяжных болтов. Пластины штампуют из тонколистовой стали (толщина 0,7 мм). Для увеличения поверхности теплообмена и турбулизации потока теплоносителя проточную часть пластин выполняют гофрированной или ребристой, причем гофры могут быть горизонтальными или расположены “в елку” (шаг гофр 11,5; 22,5; 30 мм; высота 4—7 мм).

К пластинам приклеивают резиновые прокладки круглой и специальной формы для герметизации конструкции; теплоноситель направляют либо вдоль пластины, либо через отверстие в следующий канал.

Движение теплоносителей в пластинчатых теплообменниках может осуществляться прямотоком, противотоком и по смешанной схеме. Поверхность теплообмена одного аппарата может изменяться от 1 до 160 м², число пластин — от 7 до 303.

В пластинчатых теплообменниках температура теплоносителя ограничивается 150°С (с учетом свойств резиновой прокладки), давление не должно превышать 10 кгс/см².

Рисунок 8 – Пластинчатый теплообменник

2 Расчетная часть

2.1 Тепловой расчет

2.1.1 Уравнения теплового баланса и теплопередачи

Предположим, что в межтрубном пространстве течет греющая среда (будем обозначать ее индексом 1), а в трубном пространстве – нагреваемая среда (будем обозначать ее индексом 2).

По условию задания температура на выходе нагреваемого теплоносителя t”₂ выше температуры на выходе греющего теплоносителя t’’₁. Это значит, что в качестве схемы движения теплоносителей выбран противоток. Скорости движения теплоносителей задаются.

Находим средние температуры теплоносителей:

Составляем уравнение теплового баланса:

где G₁ – расход воды в межтрубном пространстве;

G₂ – расход воды в трубном пространстве.

Значения С_P1 и С_P2 возьмем из таблиц Б.1 и Б.2 (приложение Б):

Найдем из него, предварительно задавшись КПД аппарата (η = 0,97), недостающий расход G₁:

2.1.2 Определение режимов работы теплоносителей

Определим режим течения в трубном пространстве:

значит, режим течения ламинарный.

Определяем режим течения в межтрубном пространстве:

значит, режим течения турбулентный.

Здесь эквивалентный диаметр:

где n – количество трубок.

Количество трубок определим по формуле:

Диаметр кожуха теплообменного аппарата:

где D’ – параметр, зависящий от характера размещения труб (D’ = 0,241 м),

d_H– наружный диаметр (d_H = 0,022),

k – кольцевой зазор между трубками и кожухом ( k = 0,005 м).

Значит,

Определим эквивалентный диаметр:

2.1.3 Определение коэффициента теплоотдачи со стороны греющего теплоносителя

Рассчитаем критерий Нуссельта для турбулентного течения жидкости по формуле Михеева:

Предположим, что в первом приближении средняя температура стенки равна среднему арифметическому между температурами теплоносителей:

Возьмем из приложения Б значение числа Прандтля:

(при температуре стенки t_w^’),

и значение теплопроводности:

Рассчитаем критерий Нуссельта:

Т.к. , то:

2.1.4 Определение коэффициента теплоотдачи со стороны нагреваемого теплоносителя

Возьмем из приложения Б значение числа Прандтля:

(при температуре стенки t_w^’ ),

и значение теплопроводности:

Рассчитаем критерий Нуссельта:

Т.к. , то: