Расчет теплообменного аппарата

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. теплообменный аппарат мощность температура 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.

Теплофизические свойства горячего и холодного теплоносителей (cpm,, ,, Pr).

Находятся исходя из средних арифметических температур теплоносителей:

єС; єС. [II — 68]:

Мощность теплообменного аппарата:

кВт;

;

Средняя разность температур:

;

Т.к. P_min<0,5, принимаем P = 0,5;

єC;

Средняя логарифмическая разность температур:

;

Наибольшая и наименьшая разности температур:

єC;

єC;

єC.

Предварительное определение водяного эквивалента поверхности нагрева и размеров аппарата Водяной эквивалент.

Примем k из интервала 150ч300, k = 170, тогда площадь поверхности нагрева теплообменного аппарата равна.

.

Площади проходных сечений:

где w — скорость течения теплоносителя в ТА.

Скорость выбираем в соответствии с рекомендациями [1−25]:

w₁ = (0,5 ч 3,0) м/с, выбираем w₁ = 2 м/с;

w₂ = (0,2 ч 1,0) м/с, выбираем w₂ = 0,7 м/с;

Конструктивные характеристики кожухотрубного теплообменного аппарата Учитывая расчетные площадь поверхности теплообмена и площади проходных сечений, выбираем теплообменный аппарат кожухотрубный горизонтальный четырёхходовой с неподвижными трубными решетками и с температурным компенсатором на кожухе с такими параметрами [I — 60]:

В кожух теплообменного аппарата устанавливаются сегментные перегородки, которые поддерживают трубки от провисания и интенсифицируют теплообмен в межтрубном пространстве.

Определение коэффициента теплоотдачи от горячего теплоносителя к стенке (б1, Вт/(м2•К)).

Горячий теплоноситель направляем в трубное пространство.

.

где Pr_СТ — число Прандтля теплоносителя при средней температуре стенки труб.

Примем єC, тогда Pr_СТ = 12,3.

Т.к. Re₁ > 10⁴, то значения коэффициентов C, m и n, зависящие от расположения трубок в теплообменном аппарате и числа Re, будут равны [ 1 — 30 ]:

С = 0,021; m = 0,8; n = 0,43.

Определение коэффициента теплоотдачи от стенки к холодному теплоносителю (б2, Вт/(м2•К)).

Холодный теплоноситель пускаем в межтрубное пространство.

где С = 0,681; С₁ = 0,71; С_Z = 1; m = 0,5; n = 0,36 [ 1 — 32];

Pr_СТ = 63.

Проверка:

• 1436•(190 — 163) =38 772;
• 531•(163 — 90) = 38 763.

Погрешность:

.

8. Дополнительные тепловые сопротивления У (дi/лi), (м2•К)/Вт.

где [ 1 — 22,24]

R_ЗГ = (4,0ч29,0)•10^-4 (м²•К/Вт) — термическое сопротивление горячего теплоносителя;

R_ЗХ = (20ч40)•10^-4 (м²•К/Вт) — термическое сопротивление холодного теплоносителя.

л_С — коэффициент теплопроводности стенки, зависит от материала труб.

Выбираем для труб сталь углеродистую 40, для неё л_С = 48,1 Вт/(м•К),.

Зададим:

R_ЗГ = 8•10^-4 м²•К/Вт;

R_ЗХ = 24•10^-4 м²•К/Вт,.

Тогда.

9. Коэффициент теплопередачи к (Вт/(м2•К)) и водяной эквивалент поверхности нагрева кF (Вт/К).

.

Погрешность:

10. Мощность теплообменного аппарата Q, кВт по данным проверочного расчета (расчет второго рода).

;

;

;

.

или.

— приведённый водяной эквивалент.

;

Погрешность:

Действительные температуры теплоносителей на выходе из теплообменного аппарата:

єС;

єС.

Погрешности:

11. Гидравлический расчет теплообменного аппарата Гидравлический расчет необходим для определения перепадов давлений теплоносителей и мощностей насосов и компрессоров, необходимых для перекачки теплоносителей через аппарат.

Падение давления теплоносителя в трубном пространстве:

где Дp_п.тр. — падение давления, обусловленное потерями на трение;

Дp_м.с. — падение давления, обусловленное местными сопротивлениями;

где.

л — коэффициент гидравлического сопротивления внутренней поверхности труб, при Re > 2300:

где о_П — коэффициент местного сопротивления в промежуточной камере при переходе потока из одной секции трубного пространства в другую (поворот потока на 180є), о_П = 2,5 [ I — 39 ].

Падение давления теплоносителя в межтрубном пространстве:

где Дp_п — падение давления теплоносителя при поперечном омывании пучка труб между перегородками;

Дp_в.п — падение давления в окнах сегментных перегородок;

Дp_в.к — падение давления во входной и выходной секциях межтрубного пространства;

Дp_в.м — падение давления на входе и выходе из межтрубного пространства.

где Дp_по — падение давления теплоносителя при идеальном обтекании пучка труб поперечным потоком;

x₁, x₂ — коэффициенты, учитывающие распределение потоков в межтрубном пространстве.

.

где.

b₁, b₃, b₄ — коэффициенты, зависящие от расположения труб в пучке и числа Рейнольдса [ I — 41]:

b₁ = 4,57.

b₂ = - 0,476.

b₃ = 7,0.

b₄ = 0,5.

;

где.

r₁, r₂ — определяющие параметры конструкции [ I — 62 ]:

r₁ = 0,18; r₂ = 0,243.

;

где.

о_вх, о_вых — коэффициенты местных сопротивлений на входе и выходе из межтрубного пространства [ I — 43 ]: о_вх = 1,5; о_вых = 1,0.

Мощности привода насосов.

Эффективные мощности привода насосов:

где.

з_oi — относительный внутренний к.п.д. перекачивающих устройств;

з_м -механический к.п.д. перекачивающих устройств.

Коэффициент энергетической эффективности:

12. Графическая часть курсовой работы.

• 1 — Распределительная камера.
• 2 — Разделительная перегородка.
• 3 — Отбойник.
• 4 — Кожух.
• 5 — Трубный пучок.
• 6 — Температурный компенсатор.
• 7 — Сегментные перегородки.
• 8 — Дистанционные трубки
• 9 — Трубные решетки.
• 10 — Задняя крышка.
• 11 — Штуцеры для входа и выхода из межтрубного пространства.
• 12 — Опоры.
• 13 — Штуцеры для входа и выхода из трубного пространства

Для четырёхходового теплообменного аппарата:

Распределительная Задняя крышка

камера.

Характер изменения температуры теплоносителей вдоль поверхности при прямотоке и противотоке в зависимости от соотношения водяных эквивалентов теплоносителей.

По оси абсцисс отложена поверхность теплообмена F, по оси ординат температура теплоносителей.

Большее изменение температуры будет у теплоносителя с меньшей теплоемкостью массового расхода.

Вывод:

в процессе расчёта теплообменного аппарата я определил тип ТА и его конструкцию, определил мощность выбранного стандартного ТА, и действительные конечные температуры теплоносителей, в результате чего подтвердил возможность использования стандартного теплообменника при заданных температурах теплоносителей. Также я провёл гидравлический расчёт ТА, необходимый для определения мощностей энергопривода насосов, необходимых для перекачки теплоносителей через аппарат.

• 1. Калинин А. Ф. Расчёт и выбор конструкции кожухотрубного теплообменного аппарата. — М., РГУНГ им. И. М. Губкина, 2002. — 82 с.
• 2. Трошин А. К. Теплоносители теплои массообменных аппаратов и их теплофизические свойства. — М., МИНГ, 1984. — 94 с.
• 3. Калинин А. Ф. Расчёт и выбор конструкции кожухотрубного теплообменного аппарата. — М., МИНГ, 1989. — 76 с.
• 4. Поршаков Б. П. Романов Б.А. Основы термодинамики и теплотехники. — М., Недра, 1988. — 300 с.