Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Уфимский государственный нефтяной технический университет

Курсовой проект

по дисциплине: Аппараты воздушного охлаждения

на тему: Расчет аппарата воздушного охлаждения

Выполнил:

В.Н. Тимофеев

Проверил:

Н.В. Жаринова

Уфа, 2011 год

Введение

Теплообменная аппаратура составляет 30-40% оборудования на нефтеперерабатывающих, нефтехимических и смежных с ними производствах. Значительную долю всех теплообменных аппаратов составляет конденсационно-холодильная аппаратура, предназначенная для конденсации паров и охлаждения жидких продуктов технологических процессов.

В настоящее время все большее применение находят конденсаторы и холодильники, использующие в качестве охлаждающего агента атмосферный воздух.

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

Имеется несколько видов АВО, различающихся теплопередающей поверхностью: горизонтальные, зигзагообразные, шаровые, вертикальные.

Аппараты воздушного охлаждения зигзагообразные типа АВЗ предназначены для конденсации и охлаждения парообразных, газообразных и жидких сред (с вязкостью на выходе до 5х10-5 м²/с), применяемых в технологических процессах нефтеперерабатывающей, нефтехимической и смежных отраслей химической промышленности.

Конструктивные особенности АВО незначительны, на них присутствуют: трубы могут как прямыми, так и спиральными. Направление потока воздуха также допускает вариации, горизонтально либо же вертикально, в зависимости от особенностей данной системы. Соответственно при выборе аппарата следует обратить внимание как на систему, которую ему необходимо обслуживать, так и на климатические условия эксплуатации.

Преимущества этих аппаратов:

- экономия охлаждающей воды и уменьшение сточных вод;

- значительное сокращение затрат труда на очистку аппарата ввиду отсутствия накипи, солей;

- уменьшение расходов, связанных с организацией оборотного водоснабжения технологических установок;

- экономия легированных дорогостоящих сталей, которые требуются для защиты от коррозии со стороны охлаждающей воды;

- экологичность;

- сокращение монтажно-строительных работ;

- длительный срок службы;

- широкий интервал температур до 400С;

- давление среды до 16,0 МПа или вакуум с остаточным давлением до 655 Па.

Технологический расчет АВО включает в себя тепловой и гидравлический расчеты, в результате которых определяют необходимую поверхность теплообмена, основные размеры аппарата, расход воздуха, потери напора воздуха, проходящего через пучок труб.

1. Литературный обзор

1.1 Назначение технологического процесса, роль данного аппарата в этом процессе

Аппараты воздушного охлаждения получили широкое распространение в промышленности. Они относятся к теплообменному оборудованию и предназначены для охлаждения жидких и парообразных сред в технологических процессах нефтеперерабатывающей, нефтехимической и смежных отраслях промышленности, конденсации смесей углеводородов на станциях в системе магистрального транспорта природного газа, для охлаждения природного газа на компрессорных станциях магистральных газопроводов.

Аппараты воздушного охлаждения относятся к теплообменным поверхностным аппаратам. Охлаждаемый технологический продукт движется внутри биметаллических труб, передавая через их стенки теплоту охлаждающему агенту. В качестве охлаждающего агента используется атмосферный воздух.

Аппараты воздушного охлаждения изготавливаются с теплообменными секциями рабочим давлением от 0,6 до 10 МПа (от 6 до 100 кгс/ см²), от одноходовых до 8 ходовых, 4, 6 8 рядными по расположению теплообменных труб в секциях.

Материальное исполнение частей, соприкасающихся с рабочей средой, - углеродистые стали, коррозионно-стойкие стали, сплавы латуни. По материалу исполнению деталей, соприкасающихся с обрабатываемым продуктом, АВО выпускаются из углеродистых сталей, коррозионно-стойкие стали 12Х18Н10Т и 10Х17Н13М2Т и сплавов латуни.

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

Сравнительно низкий коэффициент теплоотдачи со стороны потока воздуха, характерный для этих аппаратов, компенсируется наружной поверхности труб, а также сравнительно высокими скоростями движения потока воздуха.

1.2 Техническая характеристика аппарата, его устройство и принцип действия

Аппараты воздушного охлаждения представляют собой теплообменный аппарат, состоящий из следующих основных частей:

- теплообменной поверхности (теплообменная секция);

- системы подачи воздуха, включающей вентилятор с приводом от электродвигателя, диффузор и коллектор;

- опорной металлоконструкции.

Рисунок 1.1 - Аппарат воздушного охлаждения:

Принцип действия: атмосферный воздух с помощью системы подачи воздуха через диффузор и коллектор подается в теплообменные секции. Теплообменные секции состоят из набранных рядами оребренных труб. Оребрение трубы выполняется методом накатки алюминиевой трубы на стальную трубу, что позволяет увеличить коэффициент теплоотдачи по сравнению со стандартными теплообменными аппаратами с гладкой трубой. используемого для их изготовления (сталь различных марок, латунь, алюминиевые сплавы, биметалл).

Аппараты воздушного охлаждения (АВО) подразделяются на следующие типы:

- горизонтальные АВГ;

- зигзагообразные АВЗ;

- малопоточные АВМ;

- для вязких продуктов АВГ-В;

- для высоковязких продуктов АВГ-ВВ.

Рассмотрим аппарат воздушного охлаждения с горизонтальным расположением теплообменных секций АВГ.

Аппарат воздушного охлаждения горизонтального типа - АВГ состоит из трех горизонтально расположенных трубных секций, составленных из оребренных биметаллических труб. АВГ может быть в компоновке из двух трубных секций, тогда обозначение данного аппарата - 2АВГ.

Рисунок 1.2 - Аппарат воздушного охлаждения горизонтального типа:

В аппаратах горизонтального типа теплопередающая поверхность секции расположена горизонтально. Преимуществом аппаратов этого типа является простота конструкции, облегчающая монтаж и обслуживание аппаратов. Кроме того, в аппаратах горизонтального типа полностью используется подъемная сила нагретого воздуха, что очень эффективно при работе в режиме естественной конвекции. Недостатком аппаратов этого типа является значительная занимаемая площадь.

Таблица 1. - Технические характеристики аппарата воздушного охлаждения типа АВГ:

Показатель	Ед. изм.	Тип аппарата: АВГ
Давление условное	МПа	0,6;1,6;2,5;4,0;6,3
Коэффициент оребрения труб	-	9;14,6;20
Число рядов труб в секции	-	4;6;8
Количество секций в аппарате	шт.	3
Длина труб в секции	м	4	8
Площадь поверхности теплообмена	м?	875 ? 2560	1770 ? 6400
Количество колес вентиляторов в аппарате	шт.	1	2
Диаметр колеса вентилятора	м	2,8
Материальное исполнение секции	-	Б1;Б2;Б2.1;Б3;Б4;Б5
Тип трубных секций	-	Крышечный
Масса аппарата	кг	7230 ? 25760

2. Расчет и подбор теплообменника

2.1 Определение теплофизических свойств продукта

Поскольку трубное пространство аппарата по принципу действия близко к аппаратам идеального вытеснения, его можно разделить на две зоны: конденсации и охлаждения конденсата. В зоне конденсации температуру можно принять постоянной и равной T_вх, а в зоне охлаждения конденсата теплофизические свойства определяются при средней его температуре. Все свойства конденсата удобно представить в таблице:

Таблица 2. - Теплофизические свойства конденсата:

Продукт: тяжелый бензин	Плотность, кг/м3	Дин. вязкость, Пас	Уд. теплоемкость, Дж/кгК	Теплопроводность, Вт/мК	Уд. теплота конденсации, Дж/кг
Т1=Твх=130C	1=658	1=0,28·10-3	с1=3010	1=0,126	r=490·103
Т2=0,5(Твх+Твых)=90C	2=691	2=0,39·10-3	с2=2780	2=0,126	-

Зависимость плотности от температуры выражается линейным уравнением:

(2.1)

Где:

- соответственно плотности при искомой температуре t и 20 С, г/см³;

- температурный коэффициент по линейной зависимости от , находится по формуле:

 (2.2)

;

кг/м³;

кг/м³.

2.2 Тепловая нагрузка и предварительный подбор АВО

Тепловую нагрузку аппарата Q определим по формуле:

Q = Q₁ + Q₂ (2.3)

Для этого определим количество тепла Q1, выделяющегося при конденсации, по формуле:

Q₁ = G r (2.4)

Q₁ = 6000 490•10³ =2,94•10⁹ Дж/ч.

Количество тепла Q₂, выделяющегося при охлаждении конденсата, по формуле:

Q₂ = G •c₂•(Т_вх = Т_вых) (2.5)

Q₂ = 6000 •2780•(130 - 90)= 0,6672•10⁹ Дж/ч;

Q = Дж/с.

Определяем необходимую площадь поверхности теплообмена F. При предварительном подборе аппарата воздушного охлаждения выбираем величину напряженности, отнесенную к оребренной поверхности. Для всех типов АВО величина напряженности принимается равной:

q = 1000 2100 Вт/м².

Примем q = 1100 Вт/ м², тогда:

(2.6)

Fм².

Выбираем аппарат воздушного охлаждения горизонтального типа с коэффициентом оребрения 14,6, длина труб 4 м., количество рядов труб 6, количество ходов по трубам 6, поверхностью теплообмена 1870 м?, внутренний диаметр трубок 0,022 м.

2.3 Определение коэффициента теплоотдачи со стороны воздуха

Приведенный коэффициент теплоотдачи, отнесенный к наружной поверхности, условно не оребренной трубы для труб с накатанными ребрами при коэффициенте оребрения 14,6 определяем по формуле:

_пр = (2.7)

Скорость воздуха в узком сечении определяем по следующей формуле:

(2.8)

При этом принимаем наименьшую площадь сечения межтрубного пространства fм при коэффициенте оребрения цор =14,6 и длине труб l=4м равной 11,02 м?:

Расход воздуха Vв определяем при средней температуре воздуха из уравнения теплового баланса.

Температура воздуха на входе в аппарат T3 принимаем как среднюю температуру сухого воздуха в 13 часов дня наиболее жаркого месяца в году города Уфа, T3=23,4?С.

Температуру на выходе из аппарата T4 принимаем на 15?С выше конечной температуры охлаждаемой жидкости, но не более 60?С, T4=60?С. Среднюю температуру воздуха определим по формуле:

t_ср = 0.5•(T₃ + T₄) (2.9)

t_ср = 0,5•(23,4 +60) =42 ?С=315 K.

Объемный расход воздуха Vв:

(2.10)

м³/c.

Скорость воздуха в узком сечении :

м/с.

Коэффициент теплоотдачи:

Вт/м²К.

2.4 Определение коэффициента теплоотдачи паров продукта и площади поверхности теплообмена в зоне конденсации

Коэффициент теплоотдачи со стороны продукта будет иметь одно и то же значение как в случае использования гладкой наружной поверхности трубы, так и в случае оребренной.

Расчет коэффициента теплоотдачи со стороны конденсирующихся паров продукта определяют по формуле:

(2.11)

Где:

К_L - поправочный коэффициент;

С - поправочный коэффициент (для горизонтальных труб С=0,72);

l - определяющий геометрический параметр (для горизонтальных труб l=0,022);

t_s - температура конденсации, ?С;

t_w - температура стенки, на которой конденсируется пар, ?С.

Так как коэффициент теплоотдачи б_к зависит от перепада температур в пленке конденсата:

Дt_кон = t_s - t_w = Т₁ - t_ст1

То тепловой расчет должен проводиться методом подбора температуры стенки t_ст1 со стороны конденсирующегося пара. Этот расчет сопряжен с решением системы уравнений:

 (2.12)

Где:

r_з1, r_з1 - термические сопротивления загрязнений от углеводородов и от воздуха соответственно;

д_ст - толщина стенки;

л_ст - теплопроводность материала стенки.

(2.13)

(2.14)

(2.15)

(2.16)

;

;

.

Добившись удовлетворительной сходимости 0,78% между значениями и (при температуре стенки 128,5°С), определяем необходимую площадь поверхности теплообмена в зоне конденсации по формуле:

q_ср = 0,5 (q₁ + q₂) = 0,5(3980 + 4011) = 3995,5 Вт/м² (2.17)

Таблица 3. - Результаты расчета температур в зоне конденсации:

129	1	2937	2,61	126,39	84,4	4078
128	2	4939	4,4	123,6	81,6	3943
127	3	6695	5,96	121	79	3817
128,5	1,5	3980	3,54	125	83	4011
128,4	1,6	4178	3,72	124,68	83,2	3995

(2.18)

м².

Расчет коэффициента теплоотдачи:

(2.19)

Вт/м²К.

2.5 Определение коэффициента теплоотдачи на участке охлаждения конденсата и поверхности теплообмена этого участка

Коэффициент теплоотдачи на участке охлаждения зависит от режима движения продукта. Для развитого турбулентного режима движения коэффициент теплоотдачи рассчитывают по формуле:

(2.20)

Для предварительно выбранного аппарата число труб одного хода составляет n. Необходимо проверить режим движения продукта по трубам.

При объемном расходе:

(2.21)

 м³/с.

Скорость движения продукта в трубах будет равной:

(2.22)

м/с.

Рекомендуемое значение скорости движения жидкости в трубопроводах 0,2 0,6 м/с. Критерии Рейнольдса и Прандтля определяются:

(2.23)

(2.24)

;

;

Вт/м²К.

Коэффициент теплопередачи в зоне охлаждения, отнесенный к наружной поверхности условно не оребренной трубы, рассчитывается по уравнению:

(2.25)

 Вт/м²К.

Площадь поверхности теплообмена в зоне охлаждения составит:

(2.26)

Где:

t_ср - средняя разность температур на участке охлаждения.

(2.27)

Где:

- большая и меньшая разности температур на концах поверхности теплообмена и определяются по формулам:

(2.28)

?С.

(2.29)

?С.

м².

Суммарная площадь теплообмена поверхности по гладкой поверхности теплоообмена (по гладкой поверхности трубы у основания ребер) будет равна:

F = F₁ + F₂ (2.30)

F = 64,3 + 204,4 = 268,7 м².

По уточненному расчету проверить правильность предварительного выбранного аппарата. Определим запас поверхности теплообмена:

(2.31)

.

Аппарат подобран правильно, т. к., запас поверхности теплообмена составляет Ш=11%.

3. Аэродинамический расчет

3.1 Расчет аэродинамического сопротивления пучка труб

Аэродинамическое сопротивление пучка труб определяется по формуле:

(3.1)

Где:

с_в - плотность воздуха при его начальной температуре, кг/м³;

W_уз - скорость воздуха в узком сечении трубного пучка, м/с;

n_в - число горизонтальных рядов труб в пучке (по вертикали);

d_н = 0,028 м. - наружный диаметр трубы;

S_р = 0,0035 м. - шаг ребер.

Рисунок 3.1 - Оребренная биметаллическая труба:

Критерий Рейнольдса, отнесенный к диаметру труб d_н, определяется по формуле:

(3.2)

Где:

н_ср - кинематическая вязкость воздуха при средней температуре воздуха, м²/с.

;

Па.

3.2 Расчет мощности электродвигателя к вентилятору

Мощность, потребляемая вентилятором, находится по формуле:

(3.3)

Где:

з - к. п. д. вентилятора, принимается в пределах з = 0,62-0,65.

кВт.

При подборе электродвигателя расчетную мощность следует увеличить на 10% для обеспечения пуска двигателя. Поэтому действительная мощность двигателя:

N_э.д = 1,1 * N (3.4)

N_э.д.=1,1М2,13=2,343 кВт.

Подбираем аппарат воздушного охлаждения горизонтального типа (АГ): АВГ-14,6-0,2-Б1-6 /6-6-4УХЛ1.

Данным условиям соответствует вентилятор ГАЦ-27-2.

Таблица 4. - Технические характеристики вентилятора ГАЦ - 27 - 2:

Тип вентилятора		ГАЦ - 27 - 2
Диаметр рабочего колеса вентилятора	м	2,7
Число лопастей	шт.	2
Скорость вращения	об/мин	470
Масса рабочего колеса	кг	32
Мощность электродвигателя	кВт	6
Номинальный расход воздуха	тыс. м3/ч	125
Номинальный напор	Па	120

4. Расчет на прочность

4.1 Определение расчетных параметров и выбор типа крышки

Длина и ширина крышки и решетки определяются исходя из количества труб в горизонтальном и вертикальном рядах секции.

Количество труб в горизонтальном ряду:

(4.1)

.

Принимаем z₁ = 21.

Количество труб в вертикальном ряду: Z₂=6.

Шаг между трубами в горизонтальном ряду для АВО с коэффициентом оребрения ц=14,6 равен t₁=58 мм.

Шаг между трубами в вертикальном ряду определяется по формуле:

(4.2)

мм.

Таким образом, шаг между трубами в вертикальном ряду для АВО с коэффициентом оребрения:

ц=14,6 * t₂=52

Эскиз крышки и трубной решетки секции аппарата воздушного охлаждения приведен на рисунке 4.1:

Рисунок 4.1 - Камера аппарата воздушного охлаждения разъемной конструкции:

Ширина B₁ определяется по формуле:

(4.3)

В₁=6•52=311 мм.

Длина L₁ определяется по формуле:

(4.4)

L₁=21•58=1189 мм.

Ширину прокладки примем равной b_p = 25 мм.

Наружный размер прокладки в поперечном направлении:

 (4.5)

B₂ = 311 + 2 * 25=366 мм.

Наружный размер прокладки в продольном направлении:

(4.6)

L₂ = 1189 + 2 * 25 = 1239 мм.

Крепление крышки и трубной решетки производится:

- болтами М20 при номинальном давлении до 2,5 МПа;

- соответственно задается диаметр отверстия под болтовое соединение.

Под соединение болтами М20 диаметр отверстия:

d = 22 мм.

Расстояние между осями болтов в поперечном направлении:

(4.7)

В₃ = 366 + 2 * 22 = 410 мм.

Расстояние между осями болтов в продольном направлении:

L₃ = L₂ + 2d (4.8)

L₃ = 1239 + 22•2 = 1283 мм.

Наружный размер трубной решетки и крышки в поперечном направлении:

(4.9)

В₄ = 410 + 2 * 22=454 мм.

Наружный размер трубной решетки и крышки в продольном направлении:

L₄ = L₃ + 2d (4.10)

L₄ = 1283 + 2*22 = 1327 мм.

Высоту камеры принять равной одной трети наружного размера трубной решетки:

(4.11)

мм.

Также для расчета понадобятся:

- расчетное давление P=0,2 МПа;

- пробное давление.

(4.12)

- расчетная температура t=130 С;

- допускаемое напряжение для материала крышки []_k, МПа (выбираем 20Л []_k=137,367МПа.);

- допускаемое напряжение для материала решетки []_p, МПа (выбираем 09Г2С []_р=173,4 МПа.).

Таким образом:

МП;

МПа.

Выбираем минимальное значение МПа.

- коэффициент прочности сварного шва = 1;

- прибавка для компенсации коррозии и эрозии С₁ = 2 мм.;

- прибавка для компенсации минусового допуска С₂ (принять по 18 квалитету): С₂=0,1 мм.;

- прибавка технологическая С₃ = 0;

- сумма прибавок к расчетным толщинам стенок, мм.:

С = С₁ + С₂ + С₃ (4.13)

С = 2 + 0,1 + 0 = 2,1 мм.

4.2 Определение расчетного болтового усилия и проверка на прочность болтов

Расчетное усилие в болтах в условиях эксплуатации определяется:

(4.14)

Где:

m - прокладочный коэффициент, для прокладки из паронита m = 2,5.

Расчетное усилие в болтах в условиях испытания или монтажа определяется из условия:

(4.15)

Где:

_р - коэффициент податливости фланцевого соединения крышки и решетки, _р = 2.

Расчетная ширина плоской прокладки определяется по условию:

(4.16)

мм.

Расчетный размер решетки в продольном направлении определяется по
формуле:

L_p = L₂ - b_pR (4.17)

L_p = 1239 - 20 = 1220 мм.

Расчетный размер решетки в поперечном направлении определяется по
формуле:

B_p = B₂ - b_pR (4.18)

В_р = 366 - 20 = 346 мм.

МПа/м².

Определим требуемое количество болтов из условия прочности болтов:

(4.19)

Количество болтов необходимых для прочности определяют по формуле выше.

Исходя из условия большей необходимой площади при макс. нагрузке:

(4.20)

.

Из условия прочности требуется установить не менее 8 болтов.

4.3 Расчет трубной решетки

Толщина трубной решетки в пределах зоны перфорации должна отвечать условию:

(4.21)

Расчетная ширина перфорированной зоны решетки:

(4.22)

Коэффициент ослабления решетки:

(4.23)

Где:

d_E = d₀ - 2Мs_т

- для решеток с трубами, закрепленными на всю толщину решетки, где d₀ - диаметр отверстий в решетке, s_т - толщина стенки трубы.

(4.24)

.

Безразмерная характеристика решетки под давлением, действующим на ее не трубную зону:

(4.25)

Коэффициент несущей способности трубного пучка принять равным 1,0.

Относительная ширина края:

(4.26)

Толщины трубной решетки в месте уплотнения s₂ и вне зоны уплотнения s₃ должны отвечать условиям:

(4.27)

(4.28)

Расчетное усилие F₁ определяется по формуле:

(4.29)

Заключение

В ходе данного курсового проекта была изучена конструкция и метод расчета аппарата воздушного охлаждения зигзагообразного типа. Аппарат предназначен для охлаждения и конденсации газообразных, парообразных и жидких сред в технологических процессах нефтеперерабатывающей, нефтехимической и смежных отраслях промышленности. Технологический расчет АВО включает в себя тепловой и гидравлический расчеты, в результате которых были определены необходимая поверхность теплообмена, основные размеры аппарата, расход воздуха, потери напора воздуха, проходящего через пучок оребренных труб.

В результате расчета был подобран АВО горизонтального типа с длиной труб 4 метров. Применение таких аппаратов дает ряд эксплуатационных преимуществ, из которых главнейшими являются: простота конструкции, облегчающая монтаж и обслуживание аппаратов. Кроме того, в аппаратах горизонтального типа полностью используется подъемная сила нагретого воздуха, что очень эффективно при работе в режиме естественной конвекции. Недостатком аппаратов этого типа является значительная занимаемая площадь.

Список использованной литературы

технологический охлаждение конденсатор

1. ГОСТ Р51364-99 (ИСО 6758-80) Аппараты воздушного охлаждения. Общие технические условия.

2. ГОСТ 25822. Сосуды и аппараты. Аппараты воздушного охлаждения. Нормы и методы расчета на прочность.

3. ГОСТ 14249. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность.

4. ГОСТ 15150-69 Машины, приборы и другие технические изделия. Исполнения для различных климатических районов. Категории, условия эксплуатации, хранения и транспортирования в части воздействия климатических факторов внешней среды.

5. Шарафиев Р.Г. Оборудование нефтегазоперерабатывающих и нефтегазохи-мических производств: Учеб. пособие для вузов. / Р.Г. Шарафиев, Хайрудинова, Р.Г. Ризванов. УГНТУ.- Уфа: Изд-во УГНТУ, 2002. - 288 с.

Размещено на Allbest.ru