Размещено на http://www.allbest.ru/

«Расчет и выбор конструкции кожухотрубного теплообменного аппарата»

Cодержание

1. Исходные данные

2. Теоретическая часть

3. Расчетная часть

3.1 Тепловой расчет и выбор конструкции теплообменного аппарата

3.2 Проверочный тепловой расчет теплообменного аппарата

3.3 Гидравлический расчет теплообменного аппарата

4. Графическая часть курсовой работы

Список литературы

1. Исходные данные

Горячий теплоноситель: керосин - основной поток.

Характеристики горячего теплоносителя:

G_г=3 кг/с; t_г,вх=90 ?С; t_г,вых=60 ?С

Холодный теплоноситель: бензин.

Характеристики холодного теплоносителя:

G_х=2 кг/с; t_х,вх=2 ?С; t_х,вых= ? ?С

2. Теоретическая часть

Теплообменным аппаратом называется устройство, передающее теплоту от одного теплоносителя к другому. Теплообменные аппараты широко применяются в нефтедобывающей, нефтеперерабатывающей и химической промышленности. Эффективная работа теплообменных аппаратов приводит к сокращению расхода топлива и улучшает технико-экономические показатели установок. Поэтому так важно уметь правильно рассчитывать теплообменные аппараты

Теплообменные аппараты классифицируются по различным признакам. По способу передачи теплоты все теплообменные аппараты разделяются на поверхностные и аппараты смешения. B поверхностных теплообменных аппаратах передача теплоты от одного теплоносителя к другому осуществляется c участием твердой стенки. B смесительных теплообменных аппаратах передача теплоты осуществляется при смешении теплоносителей.

Поверхностные теплообменные аппараты подразделяются на рекуперативные и регенеративные. B рекуперативных теплообменных аппаратах теплота от одного теплоносителя к другому передается через разделяющую их стенку (поверхность теплопередачи), при этом горячая и холодная сpеды одновременно c разных сторон омывают поверхность теплопередачи. B регенеративных теплообменных аппаратах теплоносители попеременно соприкасаются c одной и_. той же поверхностью нагрева, которая в первый период нагревается, а во второй период охлаждается, отдавая теплоту холодному теплоносителю.

B поверхностных теплообменных аппаратах горячий и холодный теплоносители могут двигаться различно. От схемы движения сред в прямой зависимости находится и теплообмен между ними, поэтому схемы движения жидкости еще называются схемами теплообмена. Наиболее простыми и распространенными схемами движения являются прямоток, противоток и перекрестный ток.

Наибольшее распространение получили в настоящее время кожухотрубные теплообменники. В большей степени используются теплообменные аппараты жесткой конструкции, теплообменники c компенсаторами температурных напряжений (c линзовыми компенсаторами на корпусе, c плавающей головкой), c U-образными трубками.

Кожухотрубный теплообменный аппарат представляет собой пучок теплообменных труб, находящихся в цилиндрическом корпусе (кожухе). Один из теплоносителей движется внутри теплообменных труб, а другой омывает наружную поверхность труб. Концы труб закрепляются в трубных решетках. В кожух теплообменного аппарата с помощью дистанционных трубок устанавливаются перегородки. Перегородки поддерживают тpyбы от провисания и организуют поток теплоносителя в межтрубном пространстве, интенсифицируя теплообмен. На кожухе имеются штуцеры для входа и выхода теплоносителя из межтрубного пространства. K кожуху теплообменного аппарата c помощью фланцевого соединения крепятся распределительная камера и задняя крышка со штуцерами для входа и выхода продукта из трубного пространства.

В зависимости от числа перегородок в распределительной камере и задней крышке кожухотрубчатые тeплoобмeнныe аппараты делятся на одноходовые, двухходовые и многоходовые в трубном пространстве.

В зависимости от числа продольных перегородок, ycтaнoвленных в межтрубном пространстве, кожухотрубные теплообменники делятся на одно - и многоходовые в межтрубном пространстве.

Кожухотрубчатые теплообменники c U-образными трубками имеют одну трубную решетку, в которую завальцованы оба конца U-обрaзных теплообменных труб. Отсутствие других жестких связей теплообменных U-образных труб с кожухом обеспечивает свободное удлинение труб при изменении их температуры. Кроме того, преимущество теплообменников с U-образными трубками заключается в отсутствии разъемного соединения внутри кожуха, что позволяет успешно применять их при повышенных давлениях теплоносителей, движущихся в трубном пространстве. Недостатком таких аппаратов является трудность чистки внутренней и наружной поверхности труб, вследствие чего они используются преимущественно для чистых продуктов.

В инженерной практике при выборе теплообменного аппарата необходимо провести конструктивный и проверочный тепловые расчеты, а также гидравлический расчет теплообменных аппаратов.

Конструктивный тепловой расчет проводится для того, чтобы выбрать теплообменный аппарат при их серийном производстве на заводах или спроектировать новый аппарат. В результате конструктивного расчета выбирается тип аппарата, его конструкция, схема течения теплоносителей, материал для изготовления отдельных элементов и определяется размер и масса теплообменного аппарата.

Проверочный тепловой расчет проводится с целью определить мощность теплообменного аппарата и конечные температуры теплоносителей, омывающих поверхность нагрева теплообменного аппарата, конструкция и площадь поверхности нагрева которого известны. Проверочный расчет обычно выполняется тогда, когда необходимо выяснить возможность использования уже установленного или проектируемого теплообменного аппарата в условиях, отличных от расчетных.

Гидравлический расчет теплообменного аппарата необходим для определения перепадов давлений теплоносителей и мощностей насосов и компрессоров, перекачивающих теплоносители. Скорости течения теплоносителей при этом выбираются такими, чтобы перепады давлений не превышали допустимых значений, указанных в проектном задании.

3. Расчетная часть

3.1 Тепловой расчет и выбор конструкции теплообменного аппарата

1) Определим температуру холодного теплоносителя на выходе из теплообменного аппарата.

Для этого воспользуемся формулами для вычисления тепловой мощности Q ТА:

з=0,95 (ТА ставится в наиболее трудные условия при расчете).

Подставим данные из табл.1 в данное уравнение, получим:

(1)

Для нахождения с_pmx и t_х,вых воспользуемся методом приближенных итераций. Будем подбирать t_х,сp таким образом, чтобы найденные при t_cp значения с_pmx и t_х,вых при подстановке в уравнение (1) дали нам число в наибольшей степени приближенное к 96401,25.

(2)

(3)

теплообменный аппарат кожухотрубный



Из (2) и(3) видно, что истинное t_х,сp находится в интервале температур от 25^oС до 25,2^oС. Для нахождения истинных значений t_х,сp , с_pmx и t_х,вых воспользуемся программой, составленной в пакете Microsoft Excel:

t	t_vih	с_pmx	A
25	48	2085	95910
25,1112	48,2224	2085,566	96399,84
25,1113	48,2226	2085,571	96400,49
25,1114	48,2228	2085,576	96401,14
25,1115	48,223	2085,581	96401,79
25,1116	48,2232	2085,586	96402,44
25,2	48,4	2086	96790,4

Таким образом:

t_х,сp=25,1114^oC;

t_х,вых =48,2228 ^oC;

с_pmx=2085,576 Дж/(кг*К);

2) Определим теплофизические свойства горячего и холодного теплоносителя.

Керосин (при tг,сp=75oC)	Бензин (при tх,сp=25,1114oC)
с=784,5 кг/м3	с=746,911 кг/м3
сp=2255 Дж/(кг*К)	сp=2085,576 Дж/(кг*К)
л=0,108 Вт/(м*К)	л=0,1159 Вт/(м*К)
н=0,911*10-6 м2/с	н=0,6621*10-6 м2/с
в=8,55*10-4 К-1	в=10,9045*10-4 К-1
Pr=14,9	Pr=8,92575

3) Определим тепловую мощность теплообменного аппарата.

Так как мощность теплообменного аппарата рассчитанная по горячему и холодному теплоносителю практически равны, можно сказать что t_[х,вых определена правильно.

4) Вычислим среднюю арифметическую разность температур между теплоносителями в теплообменном аппарате и_m.

и_mL - средняя логарифмическая разность температур между теплоносителями; е_?t- коэффициент учитывающий различие между средней логарифмической разностью температур между теплоносителями для противоточной схемы движения и_mL и действительной средней разностью температур и_m

, где ;

Таким образом,

Для определения значения коэффициента е_?t , определим значения характеристик R и PS, и в зависимости от их значения по приложению 1, определим значение е_?t



5) Определим площади проходных сечений трубного f_тр и межтрубного пространства f_мтр при минимальной скорости течения жидкости.

Будем считать, что в трубах теплообменного аппарата течет керосин, а межтрубье - бензин.

(м²);

(м²);

6) На основании данных полученных в предыдущем пункте, произведем выбор теплообменного аппарата.

Тип аппарата - ТА с U-образными теплообменными трубками;

Число рядов труб в пучке Z=16;

Число рядов труб в окнах перегородок Z_n=8;

Число рядов труб между полостями, проходящими через кромки перегородок Z_вп=4;

Диаметр кожуха, мм	Наружный диаметр труб dn,мм	Число ходов по трубам nx	Площадь проходного сечения f, 10-2,м2	Площадь поверхности теплообмена F (м2) при длине труб l (мм)
Наружный	Внутренний			Одного хода по тубам	В вырезе перегородки	Между перегородками	3000	6000
426	400	20	2	1,2	2,0	3,3	23	46

7) Уточним значение скорости, в соответствии с выбранным теплообменным аппаратом, и вычислим число Рейнольдса



(м/с);

(м/с);

8) Расчет коэффициента теплопередачи k от горячего теплоносителя к холодному.

Для этого необходимо знать истинную температуру стенки трубы. Для ее нахождения используем метод приближенных итераций

1. Зададим температуру стенки в первом приближении, как :

Определим ,при этой температуре число Прандтля для теплоносителей по таблицам П-1.2 иП-1.3:

;

2. Вычислим коэффициент теплоотдачи в трубном пространстве б_тр.

Так как Re_тр=5596,914, то использую табл.7, определяем C=18,4698; j=0; y=0,43; i=0. Таким образом:



(Вт/(м²*К))

3. Вычислим коэффициент теплоотдачи в межтрубном пространстве б_мтр

Неизвестные величины в данной формуле определим в соответствии с выбранным теплообменным аппаратом:

(Вт/(м²*К))

Температура стенки в следующем приближении:

С целью получить более точные результаты, дальнейшие вычисления произведем в программе, составленной в пакете Microsoft Excel:

№	t(i)_s	Pr_ker	Pr_ben	alpha_ker	alpha_ben	t(i+1)_s
1	50,0557	18,68775	7,197661	376,39461	374,1143	50,13149
2	50,131491	18,67107	7,194477	376,47862	374,1556	50,13289
3	50,132895	18,67076	7,194418	376,48017	374,1564	50,13292
4	50,132921	18,67076	7,194417	376,4802	374,1564	50,13292
5	50,132921	18,67076	7,194417	376,4802	374,1564	50,13292

Результаты, полученные в пунктах 1. - 4. и первой строке таблицы совпадают, следовательно, результатам, приведенным в таблице, можно доверять. Таким образом:

Вт/(м²*К);

Вт/(м²*К);

4. Определим коэффициент теплопроводности материала стенки трубы.

Так как t_cт=50,1329 ^оС, то л_ст=51,474 (Вт/(м*К))

5. Вычислим коэффициент теплопередачи.

Где (д/л)_з.тр и (д/л)_з.мтр - термические сопротивления загрязнений на внутренней и наружной поверхности теплообменных труб. Для керосина и бензина (д/л)_з.тр=(д/л)_з.мтр=29*10^-4 ((м²*К)/Вт). Таким образом:



(Вт /(м²*К))

9) Определим расчетную площадь теплообмена и число теплообменных аппаратов.

(м²);

Таким образом нам необходим 1 ТА с площадью поверхности теплообмена 46 м².

3.2 Проверочный тепловой расчет теплообменного аппарата

1) Рассчитаем фактическую тепловую мощность теплообменного аппарата по формуле Н.И. Белоконя.

Рассчитаем водяные эквиваленты горячего и холодного теплоносителей.

(Вт/К);

(Вт/К);

Рассчитаем приведенный водяной эквивалент.



Так как был выбран U - образный теплообменный аппарат P=0,5.

(Вт/К);

(Вт);

2) Определим действительные температуры теплоносителей на выходе из теплообменного аппарата.

^оС;

^оС;

3) Вычислим относительные расхождения температур между действительными и заданными температурами горячего и холодного теплоносителя.

Погрешности не превышают 5%, следовательно, расчет проведен правильно.

3.3 Гидравлический расчет теплообменного аппарата

Расчет падения давления теплоносителей в трубном и межтрубном пространстве ТА

1) Вычислим падение давления в трубном пространстве.

В трубное пространство запущен керосин. Так как режим течения турбулентный (Re_тр>2300), то коэффициент гидравлического сопротивления внутренней поверхности труб л рассчитывается по формуле:

;

(Па);

2) Вычислим падение давления в межтрубном пространстве.

;



Где ?p_п - падение давления теплоносителя при поперечном омывании пучка труб между перегородками; ?p_в.п - падение давления в окнах сегментных перегородок; ?p_в.к - падение давления во входной и выходной секциях межтрубного пространства; ?p_в.м - падение давления на входе и выходе из межтрубного пространства.

A. Определим падение давления теплоносителя при поперечном омывании пучка труб между перегородками.

;

B. Вычислим ?p_по падение давления теплоносителя при обтекании идеального пучка труб поперечным потоком.

;

· Z_n - число рядов труб, омываемых поперечным потоком теплоносителя

Z_n=8;

· Так как Re_тр=5596,914 ,то:

b₁=0,333;

b₂=-0,136;

b₃=6,59;

b₄=0,52;

· t- шаг труб в трубном пучке

t=26*10^-3;

(Па);

C. Определим поправочные коэффициенты x₁ и x₂.

; ;

· N_пер - число сегментных перегородок

N_пер=24;

· r₁, r₂, r₃, r₄ - определяющие параметры конструкции

r₁=0,113;

r₂=0,329;

r₃=0,306;

r₄=0;

=0,62;

(Па);

D. Вычислим падение давления в окнах сегментных перегородок ?p_в.п

;

Где Z_в.п - число рядов труб в вырезе перегородок. Z_в.п=4;

(Па);

E. Вычислим падение давления во входной и выходной секциях межтрубного пространства ?p_в.к

;

- число рядов труб, пересекаемых перегородкой; =12

х₃ - поправочный коэффициент;

- шаг перегородок; = 0,21 (м);

, - расстояние от трубных решеток до ближайших перегородок;

====0,585 (м);



Па;

F. Вычислим падение давления на входе и выходе из межтрубного пространства ?p_в.м.

Па;

Таким образом:

Па;

3) Вычислим мощности, необходимые для перекачки теплоносителей через трубное и межтрубное пространство.

Вт;

Вт;

4) Вычислим эффективные мощности привода насосов или компрессоров, необходимые для перекачки теплоносителей через трубное и межтрубное пространство.



Вт;

Вт;

4. Графическая часть курсовой работы

1) Построим температурную диаграмму теплоносителей для выбранного теплообменного аппарата.

2) Чертеж кожухотрубного теплообменного аппарата.

1 - распределительная камера; 2 - трубная решетка; 3 - кожух; 4 - теплообменная труба; 5 - поперечная перегородка; 6 - крышка кожуха; 7 - опора; 8 - катковая опора трубного пучка.

Список литературы

1) «Расчет и выбор конструкции кожухотрубного теплообменного аппарата» Калинин А.Ф, Москва, «РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина» 2002;

2) «Термодинамические и теплофизические свойства рабочих тел теплоэнергетических установок» Трошин А.К., Москва, «МПА - Пресс» 2006;

3) «Термодинамика и теплопередача» Поршаков Б.П., Москва, «Недра» 1987;

4) Конспект лекций по курсу «Термодинамика и теплотехника»

Размещено на Allbest.ru