Тепловой и гидравлический расчет теплообменных аппаратов

Российский Государственный  Университет Нефти и Газа им. И. М. Губкина

 

Кафедра термодинамики и  тепловых двигателей

 

 

 

 

Курсовая работа по теплотехнике

 

Тепловой  и гидравлический расчет теплообменных аппаратов

 

Задание № 8

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                                Проверил: Шотиди К.Х.

                                                                     Выполнил: Воробьев К. В.

                                                     Группа: НД-10-01

 

 

 

 

Москва 2012

I.Введение

Теплообменными аппаратами (ТА) называются устройства, предназначенные  для передачи теплоты от одного теплоносителя  к другому. Теплообменные аппараты широко применяются в нефтедобывающей, газовой, нефтеперерабатывающей и  химической промышленности: для производства теплооменного оборудования затрачивается  до 30 % от общего расхода металла  на все технологическое оборудование.

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.

Наиболее широкое распространение  в настоящее время получили кожухотрубные  теплообменники. По некоторым данным они составляют до  
80 % от всей теплообменной аппаратуры, используемой в нефтяной и газовой промышленности.

 

Классификация теплообменных  аппаратов.

 

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; 3 - 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 ( ).

 

 

 

 

 

 

 

Исходные  данные:

Горячий теплоноситель – Вода

Характеристики теплоносителя: G₁ =10 кг/c;     t₁^’=120 ^ОС;     t₁^’’=80 ^ОС.

 

Холодный теплоноситель –Мазут

Характеристики теплоносителя: G₂ = ? кг/c;       t₂^’=45 ^ОС;       t₂^’’=85 ^ОС.

 

 

II. Конструктивный тепловой расчет

 

 

1.Определение:

 

Определение теплофизических  свойств горячего и холодного

Теплоносителей:

 

       Горячий  теплоноситель:

 

       Холодный  теплоноситель:

 

	cpm, Дж/(кг·К)	l, Вт/(м·К)	n·10-6 , м2/с	r, кг/м3	Pr
Вода tср1=100 ОС	4220	0,683	0,295	958,4	1,75
Мазут      tср2=65 ОС	1990	0,123	6	922	1000

 

Определение мощности теплообменного аппарата

,

где коэффициент, учитывающий потери тепла в окружающую среду.

 (кг/с)

(кг/с)               (кг/с)

 (кВт)

 Средняя разность  температур ( )

Определение оптимального диапазона площадей проходных сечений(f1,f2)

Для воды: w₁=0,5-3 м/с

Для мазута: w₂=0,2-1 м/c

Определение водяного эквивалента поверхности нагрева и размеров аппарата.

 Коэффициент теплопередачи  от горячего к холодному теплоносителю  можно оценить по следующей  формуле (примерные значения характеристик  взяты из соответствующих таблиц):

α_тр=4000    Вт/(м²*К)  R_з.тр = 12*10^-4 (м²*К)/Вт

α_мтр=450   Вт/(м²*К)  R_з.мтр = 36*10^-4 (м²*К)/Вт

δ_ст=2*10^-3  м  λ=42,7   Вт/(м*К)

  Вт/(м²*К)

2.Предварительный  выбор теплообменного аппарата  по каталогу

Учитывая расчетные площадь  поверхности теплообмена и площади проходных сечений, выбираем теплообменный аппарат кожухотрубный горизонтальный шестиходовой с неподвижными трубными решетками и с температурным компенсатором на кожухе со следующими параметрами:                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               

Диаметр кожуха, мм		Наружный диаметр труб dн, мм	Число ходов по трубам nx	Площадь проходного сечения f·10-2, м2			Площадь поверхности теплообмена F, м2	Длина труб l, мм
Наруж-ный	Внут-ренний			Одного  хода по трубам	В вырезе перего-родки	Между перего-родками
-	800	20	6	2	6,5	7,0	349	9000

 

3. Расчет коэффициентов теплоотдачи от горячего теплоносителя к стенке α₁ и от стенки к холодному теплоносителю α_{2 ,} термических сопротивлений стенки трубы и загрязнений Σ(δ_i/λ_i)

Коэффициент теплоотдачи  в трубном пространстве α_тр находится из соотношения

_{Горячий теплоноситель (вода) направляем в трубы:}

 

Коэффициент теплоотдачи  в межтрубном пространстве α_мтр рассчитывается по формуле

Холодный теплоноситель (мазут) направляем в межтрубное пространство

R_т = 12∙10^-4 (м²∙К/Вт) – термическое сопротивление горячего теплоносителя;

 

R_мт = 36∙10^-4 (м²∙К/Вт) – термическое сопротивление холодного теплоносителя.

 

λ_С – коэффициент теплопроводности стенки, зависит от материала труб.

 

Выберем Сталь У12   λ=42,7    (Вт/(м К)

4. Коэффициент теплопередачи k , Вт/м²·К и водяной эквивалент поверхности нагрева (kF ,  Вт/К).

 

Погрешность:

Т.к. погрешность незначительная, теплообменный аппарат оставляем прежним.

 

III. Проверочный тепловой расчет

1. Определение фактической тепловой мощности выбранного теплообменного аппарата Q

Рассчитаем индекс противоточности:

По графику определяем ε_Δt=1, => P=1, выбираем противоток

Погрешность:

 

 

2.Действительные  температуры теплоносителей на  выходе из теплообменного аппарата:

Погрешности:

IV.Гидравлический расчет теплообменного аппарата

Цель гидравлического  расчета теплообменного аппарата заключается  в определении падения давления теплоносителей в трубном и межтрубном пространстве ТА и мощности энергопривода  насосов или компрессоров, используемых для прокачки теплоносителей через  теплообменный аппарат.

Падение давления теплоносителя в трубном пространстве ТА определяется из соотношения

так как  , то

 

 

Падение давления теплоносителя в межтрубном пространстве определяется из соотношения

В нашем случае число Рейнольдса теплоносителя Re < 10³, теплообменный аппарат горизонтальный, в аппарате не происходит изменения агрегатного состояния вещества, расстояние от трубных решеток до ближайших перегородок в два раза больше шага перегородок в центральной части аппарата ( ). Выпишем значения коэффициентов:

=16 b₁=4,57 b₃=7

b₂=-0,476 b₄=0,5

  где