II. Конструктивный тепловой расчет

Курсовая работа по теплотехнике

«Тепловой и гидравлический расчет теплообменных аппаратов»

 

Задание № 26

 

Проверила: Чурикова М.М.

Выполнил: Шимин А.С.

Группа ХТ-08-2

 

Москва 2010
Введение. Классификация теплообменных аппаратов.

 

Теплообменным аппаратом (ТА) называется устройство, назначением которого является передача тепла от одного тела к другому.

ТА широко применяются в нефтедобывающей, газовой и химической промышленности, при транспорте и хранении нефти, нефтепродуктов и газа. В нефтедобывающей промышленности ТА являются составной частью компрессорных установок, водогрейных и парогенераторных установок и т.д.

В газовой промышленности ТА применяются в энергетических установках компрессорных станций магистральных газопроводов, газобензиновых заводах, на установках низкотемпературной сепарации газа и т.д.

В нефтеперерабатывающей и химической промышленностях ТА применяются для нагрева сырья, охлаждения целевых продуктов и полуфабрикатов, на энергетических и компрессорных установках и т.д.

Широкое распространение ТА в нефтяной и газовой промышленности обязывает специалистов уметь их рассчитывать, обобщать опыт эксплуатации и анализировать рабочий процесс.

Эффективная работа ТА приводит к сокращению расхода топлива и улучшает технико-экономические показатели установок.

 

Кожухотрубные теплообменники относятся к поверхностным теплообменным аппаратам рекуперативного типа. Широкое распространение этих аппаратов обусловлено прежде всего надежность конструкции и большим набором вариантов исполнения для различных условий эксплуатации.

Различают следующие типы кожухотрубных аппаратов:

ü Теплообменные аппараты с неподвижными трубными решетками (жесткотрубные ТА);

ü Теплообменные аппараты с неподвижными трубными решетками и с линзовым компенсатором на кожухе;

ü Теплообменные аппараты с плавающей головкой;

ü Теплообменные аппараты с U-образными трубами.

Кожухотрубный ТА представляет из себя пучок теплообменных труб, находящихся в цилиндрическом корпусе (кожухе). Один из теплоносителей движется внутри теплообменных труб, а другой омывает наружную поверхность труб. Концы труб закрепляются с помощью вальцовки, сварки или пайки в трубных решетках. В кожух ТА с помощью дистанционных трубок устанавливаются перегородки. Перегородки поддерживают трубы от провисания и организуют поток теплоносителя в межтрубном пространстве, интенсифицируя теплообмен. К кожуху ТА привариваются штуцера для входа и выхода теплоносителя из межтрубного пространства. На входе теплоносителя в межтрубное пространство в ряде случаев устанавливаются отбойники, необходимые для уменьшения вибрации пучка, равномерного распределения потока теплоносителя в межтрубном пространстве и снижения эрозии ближайших к входному штуцеру труб. К кожуху ТА с помощью фланцевого соединения крепятся распределительная камера и задняя крышка со штуцером для входа и выхода продукта из трубного пространства.

 

 

II. Конструктивный тепловой расчет.

 

1.Определение

· неизвестного массового расхода масла G2 и параметров теплоносителей.

 

Теплоноситель	G, кг/с	t`, C	t``, C	tср , C
Горячий теплоноситель (вода)			?	?
Холодный теплоноситель (нефть)				52,5

Дано:

· Для нахождения мощности ТА записываем уравнение теплового баланса:

 

мощность теплообменного аппарата Q по исходным данным:

 

 

- коэффициент, учитывающий потери тепла в окр. среду.

 

 

Берем t₁``=100^º C

- средняя температура теплоносителей.

t_cр1. = = 112,5^º C

 

Возьмем t₁``=95,18^º C

t_cр1. = = 110,09^º C

t_{ср 2.} = = 52,5^º С

 

Выписываем теплофизические свойства при tср:

 

	tcр,ºС			, ,
Горячий теплоноситель- вода	110,09		1,75	0,295	958,4	0,683
Холодный теплоноситель-нефть	52,5			37,0506	813,93	0,1208

 

 

Направляем воду в трубное пространство, а нефть в межтрубное.

 

 

· средней разности температур между теплоносителями по уравнению Грасгофа:

 

· оптимального диапазона площадей проходных сечений трубного и межтрубного пространства и минимального индекса противоточности Р_min ТА:

;

где и максимальная и минимальная рекомендуемые скорости потоков теплоносителей: м/c и м/c

 

 

 

Выбираем противоток

· водяного эквивалента kF и площадь поверхности F теплообмена теплообменного аппарата:

,

где и коэффициенты теплоотдачи в трубном и межтрубном пространстве. Принимаем =10250 для воды и =325 для нефти.

 

 

Определим расчетную площадь поверхности теплообмена:

 

 

2. Предварительный выбор теплообменного аппарата по каталогу.

 

а) Выбираем теплообменник с неподвижными трубчатыми решетками.

б) По значениям вязкости теплоносителей и термических загрязнений направляем воду в трубное, а нефть в межтрубное пространство.

в) По диапазону площадей проходных сечений трубного и межтрубного пространства, а также по величине расчетной площади поверхности теплообмена, предварительно выбираем шестиходовой аппарат с площадью теплообмена с трубами длинной 4 м.

 

Конструктивные характеристики выбранного аппарата.

 

Диаметр кожуха , мм Наружный Внутренний	-
Наружный диаметр теплообменных труб , мм
Число ходов по трубам,
Площади проходного сечения одного хода:
По трубам ,	2,0·10-2
В вырезе перегородки ,	6,5·10-2
Между перегородками ,	7,0·10-2

 

3. Расчет коэффициентов теплоотдачи от горячего теплоносителя к стенке α₁ и от стенки к холодному теплоносителю α₂ , термических сопротивлений стенки трубы и загрязнений .

 

Рассчитаем и .

где Re, Pr - числа подобия теплоносителя, движущегося в трубах ТА, при среднеарифметической температуре потока. Prc – число Прандтля теплоносителя, движущегося в теплообменных трубах ТА при средней температуре стенки труб.

- коэффициент теплопроводности теплоносителя, движущегося в трубах ТА. и - наружный диаметр и толщина стенки теплообменных труб.

 

Средняя скорость теплоносителя в трубном пространстве:

 

Число Рейнольдса:

-турбулентный режим

Коэф-ент Pr для воды при t_cр1.=112,5^ºС: Pr=1,75

 

Из таблицы определяем следующие константы:

 

C=0.021; j=0.8; y=0.43; i=0;

 

Определим стенки из таблицы при :

 

 

Подставим:

 

Рассчитаем коэффициент теплоотдачи теплоносителя в межтрубном пространстве:

,

где значения коэффициентов С, Сz, C1, m, n выбираются из таблицы в зависимости от расположения труб в пучке и значения числа Рейнольдса:

 

Выберем расположение труб в пучке в виде треугольника.

 

Вычислим среднюю скорость теплоносителя в межтрубном пространстве:

 

 

Посчитаем число Рейнольдса:

 

 

Коэф-ент Pr для нефти при t_cр1.=52,5^ºС: Pr=86 (выбираем из графика)

 

Выбираем коэффициенты:

m=0,5; n=0,36; C1=0,71

Из таблицы 2-8: C=0,659; Cz=1; Cn=1,039; =0.757; =0.861 .

 

 

Выбираем из графика для нефти при

 

 

 

Рассчитаем

 

 

Уточняем k:

 

 

Уточняем F_расч.:

;

 

5. Окончательный выбор теплообменника:

Так как расчетная площадь ТА не соответствует предварительному рассчитанному значению, выбираем другой ТА с теми же параметрами за счет изменения длины труб:

 

Диаметр кожуха , мм Наружный Внутренний	-
Наружный диаметр теплообменных труб , мм
Число ходов по трубам,
Площади проходного сечения одного хода:
По трубам ,	2,0·10-2
В вырезе перегородки ,	6,5·10-2
Между перегородками ,	7,0·10-2

 

Площадь поверхности теплообменника равна 233 м², Длина трубы

l = 6 м.