Конструктивный и проверочный тепловой расчёт теплообменного аппарата

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ НЕФТИ И ГАЗА им. И.М. ГУБКИНА

КАФЕДРА ТЕРМОДИНАМИКИ И ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

КУРСОВАЯ РАБОТА

По технической термодинамике и теплотехнике

ТЕМА

«Конструктивный и проверочный тепловой расчёт теплообменного аппарата»

Москва 2017

Введение

Классификация теплообменных аппаратов.

Теплообменным аппаратом (ТА) называется устройство, в котором осуществляется теплообмен между двумя теплоносителями. ТА широко применяются в нефтедобывающей, газовой, нефтеперерабатывающей и химической промышленности, при транспорте и хранении нефти, нефтепродуктов и газа и в других отраслях народного хозяйства. По принципу действия ТА делятся на рекуперативные и смесительные.

В рекуперативных ТА горячая и холодная среды одновременно с разных сторон омывают поверхность теплопередачи, а теплота передаётся через стенку.

В регенеративных ТА горячая и холодная среды омывают одну и ту же поверхность теплопередачи последовательно: сначала омывает горячая жидкость, отдавая ей теплоту, а затем ту же поверхность омывает холодная жидкость, которая от неё и нагревается. Примером таких ТА могут служить вращающиеся воздухоподогреватели.

В рекуперативных и регенеративных ТА в процессе теплообмена участвует поверхности теплопередачи, поэтому эти ТА называются поверхностными.

В смесительных ТА теплопередача от горячей жидкости к холодной осуществляется путём их непосредственного смешения. Эти ТА называют контактными. Примером таких ТА могут быть градирни, в которых разбрызгиваемая вода охлаждается атмосферным воздухом.

В зависимости от назначения и конструктивного оформления ТА имеют специальные наименования. Наиболее широко распространены кожухотрубные теплообменники; по некоторым данным они составляют до 80% всей теплообменной аппаратуры. Большое распространение получили также теплообменные аппараты жёсткой конструкции, теплообменники с компенсаторами температурных напряжений (с линзовыми компенсаторами на корпусе, с плавающей головкой), с U-образными трубками. Кроме того, в нефтяной и газовой промышленности широко применяются теплообменные аппараты типа”труба в трубе”. В промышленности наибольшее распространение получили поверхностные ТА, где горячая и холодная жидкости могут двигаться различно. Наиболее простыми и распространёнными схемами движения являются прямоток, противоток и перекрёстный ток. При прямотоке горячая и холодная среды движутся вдоль поверхности теплообмена в одном направлении, при противотоке - в противоположных направлениях, при перекрёстном токе - в перекрещивающихся направлениях. Существуют аппараты и с более сложными схимами теплообмена.

Кожухотрубные теплообменники относятся к поверхностным теплообменным аппаратам рекуперативного типа. Различают следующие типы кожухотрубных теплообменных аппаратов:

· теплообменные аппараты с неподвижными трубными решётками (жёсткотрубные ТА);

· теплообменные аппараты с неподвижными трубными решётками и с линзовым компенсатором на кожухе;

· теплообменные аппараты с U-образными трубами.

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

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 одноходовые и многоходовые в межтрубном пространстве.

Теплообменники с неподвижными трубными решётками применяются, если максимальная разность температур теплоносителей не превышает 800С, и при сравнительно небольшой длине аппарата.

Для частичной компенсации температурных напряжений в кожухе и в теплообменных трубах используются специальные гибкие элементы (расширители, компенсаторы), установленные на кожухе.

Эффективность кожухотрубчатых ТА повышается с увеличением скорости движения потоков теплоносителей и степени их турбулизации. Для увеличения скорости движения потоков в межтрубном пространстве и их турбулизации, повышения качества омывания поверхности теплообмена в межтрубное пространство ТА устанавливаются специальные поперечные перегородки. Наибольшее распространение получили сегментные перегородки.

Поперечные перегородки с секторным вырезом оснащены дополнительной продольной перегородкой, равной по высоте половине внутреннего диаметра кожуха аппарата. Секторный вырез располагают в соседних перегородках в шахматном порядке. При этом теплоноситель в межтрубном пространстве совершает вращательное движение то по часовой стрелке, то против неё.

Аппараты со ”сплошными” перегородками используются обычно для чистых жидкостей. В этом случае жидкость протекает по кольцевому зазору между теплообменными трубами и отверстиями в перегородках.

Для повышения тепловой мощности ТА при неизменных длинах труб и габаритов ТА используется оребрение наружной поверхности теплообменных труб. Оребрённые теплообменные трубы применяются в тех случаях, когда со стороны одного из теплоносителей трудно обеспечить высокий коэффициент теплоотдачи (газообразный теплоноситель, вязкая жидкость, ламинарное течение и т.д.). Различают следующие оребрённые трубы:

· с приварными ”корытообразноми” рёбрами;

· с завальцованными рёбрами;

· с винтовыми рёбрами;

· с выдавленными рёбрами;

· с приваренными шиловидными рёбрами.

Конструктивный тепловой расчёт приводится для того, чтобы выбрать теплообменный аппарат при их серийном производстве на заводах или спроектировать новый аппарат.

Проверочный тепловой расчёт проводится с целью определить мощность теплообменного аппарата и конечные температуры теплоносителей, омывающих поверхность нагрева теплообменного аппарата, конструкция и площадь поверхности нагрева которого известны.

теплообменный водяной холодный мощность

Конструктивный тепловой расчёт

Теплофизические свойства горячего и холодного теплоносителей

горячий теплоноситель - водяной пар

холодный теплоноситель - бензин

	tm, oC	???кг/м3	Ср•10-3,Дж/(кг•К)	л,Вт/(м•К)	н?106,м2/с	Pr
бензин	16	705	2,025	0,113	0,62	8
вода	120	1,121	2,207	2,59	11,46	1,09

Мощность теплообменного аппарата (Q, Вт) по исходному заданию.

[1,c.19]

где з - коэффициент, учитывающий тепловые потери в окружающую среду

з = 0,95 - 0,98 [1,c.19]

Вт

кг/с

Средняя разность температур иm, оС.

[1,c.20]



Определение оптимального диапазона площадей проходных сечений

Приемлемые диапазоны площадей проходных сечений трубного и межтрубного пространства находятся с использованием рекомендуемых диапазонов скоростей теплоносителей из соотношений:

ѓmin; ѓmax [1,c.25]

где max и min - максимальная и минимальная рекомендуемые скорости потоков теплоносителей;

с и G - плотность и массовый расход теплоносителя.

max 2 = 3,0 м/с и min 2 = 0,5 м/с

max 1 = 60,0 м/с и min 1 = 20,0 м/с

Для водяного пара:

ѓmin 1 м2

ѓmax 1 м2

Для бензина:

ѓmin 2 м2

ѓmax 2 м2

Предварительный выбор теплообменного аппарата по каталогу.

Выбираем кожухотрубный теплообменный аппарат в диапазоне

Диаметр кожуха, мм	Наружный диаметр труб dн, мм	Число ходов по трубам nx	ѓ·102, м2 Одного хода по трубам	F, м2 При L=3000
Наруж	Внутр
159	-	20	1	0,4	3,5

Определение коэффициента теплоотдачи от горячего теплоносителя к стенке б1.

Бензин - как более грязный продукт направляем в трубу, а водяной пар - в межтрубное пространство.

Коэффициент теплоотдачи в межтрубном пространстве бмтр находится по формуле:

Определение коэффициента теплоотдачи от стенки к холодному теплоносителю б2

Коэффициент теплоотдачи в трубном пространстве бтр находится по формуле:

[1,c.29]

где Re, Pr, Gr - числа подобия воды при средней температуре потока;

лтр - коэффициент теплопроводности воды.

? 1, поэтому этой величиной можно пренебречь.

Найдем число Прандтля при температуре стенки при

Средняя скорость воды в межтрубном пространстве мтр, необходимая для определения числа Рейнольдса, рассчитывается по формуле:

Режим турбулентный: с=0,021; j=0,8; y=0,43; i=0

Из следующего соотношения определим температуру стенки при полученных значениях коэффициентов теплоотдачи:

условие не выполняется

Проведем аналогичный расчет до тех пор, пока условие не будет выполняться.

При значение числа Прандтля стенки

Определим значение коэффициентов теплоотдачи:

условие не выполняется

При значение числа Прандтля стенки

Определим значения коэффициентов теплоотдачи:

условие не выполняется

При значение числа Прандтля стенки

Определим значения коэффициентов теплоотдачи:

условие не выполняется

При значение числа Прандтля стенки

Определим значения коэффициентов теплоотдачи:

условие выполняется

Определение дополнительных термических сопротивлений стенки трубы и загрязнений.

Выберем сталь СТ20

толщина стенки дст = 2 мм

коэффициент теплопроводности стали лст=51,1 Вт/(м•К)

термические сопротивления загрязнений:

· для бензина Rз тр = 29•10-4 (м2•К)/Вт

· для воды Rз мтр = 2,9•10-4 (м2•К)/Вт

Определение коэффициента теплопередачи и водного эквивалента поверхности нагрева.

Коэффициент теплопередачи:

[1,c.35]

Вт/(м2•К)

м2

Так как расчет производился для теплообменника с Fтеор=3,5 м2, то для определения количества аппаратов нужно Fрасч/Fтеор= 2 .

Определение фактической мощности выбранного теплообменного аппарата по данным проверочного расчёта.

Фактическая тепловая мощность выбранного теплообменного аппарата рассчитывается по формуле Белоконя:

[1,c.37]

где Wm - приведённый водяной эквивалент,



где

W2=Cp2•G2=2,025•103•3= 6075 Вт/с

Откуда

Wm =6075 Вт/с

Вт

Действительные температуры теплоносителей на выходе из ТА:

[1,c.37]

Отклонение от заданных температур составляют соответственно 0% и 0,23%.

Графическая часть

Схема теплообменного аппарата

Список использованной литературы

1. Калинин А.Ф. Расчёт и выбор конструкции кожухотрубного конденсатора. М.:РГУ нефти и газа, 1996.

2. Трошин А.К., Купцов С.М., Калинин А.Ф. Термодинамические и теплофизические свойства рабочих тел теплоэнергетических установок. М.:МПА-ПРЕСС, 2006.

3. Поршаков Б.П. и др. Теплотехника. Часть II. Теплопередача. -М.: РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2002.

Размещено на Allbest.ru