Расчет и выбор конструкции кожухотрубного теплообменного аппарата

«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.

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 96 401,25.

(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:

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.

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;

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:

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;

· tшаг 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.

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».