Конструктивный и проверочный тепловой расчёт теплообменного аппарата
Классификация теплообменных аппаратов. Определение теплофизических свойств горячего и холодного теплоносителей. Коэффициент теплопередачи и водяной эквивалент поверхности нагрева. Средняя разность температур. Определение мощности теплообменного аппарата.
Рубрика | Физика и энергетика |
Вид | курсовая работа |
Язык | русский |
Дата добавления | 27.02.2020 |
Размер файла | 200,4 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
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
Подобные документы
Теплофизические свойства теплоносителей. Предварительное определение водного эквивалента поверхности нагрева и размеров аппарата. Конструктивные характеристики теплообменного аппарата. Определение средней разности температур и коэффициента теплопередачи.
курсовая работа [413,5 K], добавлен 19.10.2015Классификация теплообменных аппаратов (ТОА), требования к ним. Выбор схемы движения теплоносителей при расчете устройства, определение их теплофизических свойств. Коэффициент теплоотдачи в ТОА, уточнение температуры стенки и конструктивный расчет.
курсовая работа [1,2 M], добавлен 17.11.2013Определение характера течения горячего и холодного теплоносителей в каналах теплообменника. Выбор вида критериального уравнения для потоков. Составление уравнения теплового баланса. Нахождение поверхности нагрева рекуперативного теплообменного аппарата.
практическая работа [514,4 K], добавлен 15.03.2013Общая характеристика теплообменных аппаратов и их применение в нефтедобывающей, газовой, нефтеперерабатывающей и химической промышленности. Конструктивный, проверочный и гидравлический расчет теплообменного аппарата, построение температурной диаграммы.
курсовая работа [663,7 K], добавлен 10.10.2011Классификация теплообменных аппаратов. Конструктивный тепловой расчет. Предварительный выбор теплообменного аппарата по каталогу, действительные температуры теплоносителей. Шестиходовой кожухотрубчатый теплообменник с неподвижными трубными решетками.
курсовая работа [873,5 K], добавлен 11.03.2013Применение и классификация теплообменных аппаратов. Принцип работы кожухотрубного теплообменного аппарата. Необходимость проведения гидравлического, конструктивного и проверочного тепловых расчетов. Построение температурной диаграммы теплоносителей.
курсовая работа [364,5 K], добавлен 23.11.2012Определение внутреннего диаметра корпуса теплообменника. Температура насыщенного сухого водяного пара. График изменения температур теплоносителя вдоль поверхности нагрева. Вычисление площади поверхности теплообмена Fрасч из уравнения теплопередачи.
контрольная работа [165,6 K], добавлен 29.03.2011Физические свойства теплоносителей. Расчет числа Нуссельта. Определение количества тепла, получаемого нагреваемой водой. Средний температурный напор. Графики изменения температур теплоносителей вдоль поверхности нагрева для прямотока и противотока.
контрольная работа [199,6 K], добавлен 03.12.2012Технологическая схема теплообменника "труба в трубе". Температурный режим аппарата и средняя разность температур. Расчёт коэффициента теплопередачи. Обоснование выбора материала и конструктивных размеров, гидравлический и конструктивный расчеты аппарата.
курсовая работа [151,3 K], добавлен 04.11.2015Применение теплообменных аппаратов, принцип их действия. Теплообменные аппараты с неподвижными трубными решетками, линзовым компенсатором на кожухе, плавающей головкой и U-образными трубами. Конструктивный и проверочный тепловой расчет аппарата.
контрольная работа [1,2 M], добавлен 22.08.2015