Определение показателей рабочего процесса и основных размеров теплообменного аппарата

- термическое сопротивление  загрязнений на внешней поверхности  теплообменных труб [2, таблица 2];

В качестве материала теплообменных труб выбираем Сталь 15ХМ, толщина стенок теплообменных труб

- термическое сопротивление  стали [2, таблица 5];

Предварительная расчетная площадь  поверхности теплообмена: .

Площади проходных сечений:

, где w – скорость течения теплоносителя в ТА.

Скорость выбираем в соответствии с рекомендациями [2, таблица 6];

w₁ = ( 0,5 ÷ 3,0) м/с, выбираем w₁ = 1,8 м/с;

w₂ = ( 0,2 ÷ 1,0) м/с, выбираем w₂ = 0,6 м/с;

  

6.    Конструктивные характеристики кожухотрубного теплообменного аппарата, индекс противоточности

Учитывая расчетные площадь  поверхности теплообмена и площади  проходных сечений, выбираем теплообменный аппарат кожухотрубный горизонтальный четырёхходовой с плавающей головкой  со следующими параметрами [ 2, приложение III ].                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                         

Площадь поверхности теплообмена, м2	423
Число ходов по трубам, nx	2
Наружный диаметр кожуха	–
Внутренний диаметр кожуха D1, мм	1200
Наружный диаметр труб dн, мм	25
Толщина стенки d, мм	2
Внутренний диаметр труб dвн, мм	21
Активная длина труб l, мм	6000
Площадь проходного сечения между перегородками fмп, м2	28,0∙10-2
Площадь проходного сечения в вырезе перегородки fв, м2	12,6∙10-2
Площадь проходного сечения одного хода по трубам fох, м2	15,5∙10-2
Расстояние между перегородками  l', мм	615
Число сегментных перегородок Nпер	8
Расположение труб в пучке	В вершинах ромба
Поперечный шаг труб S1 = t, мм	45,3
Продольный шаг труб S2, мм	22,65
Число рядов труб в пучке z	42
Число рядов труб в окнах перегородок  zВП	8
Число рядов труб пересекаемых перегородкой zП	26
Наружный диаметр пучка труб, мм	1145

 

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

Характеристическая  разность температур DT определяется с использованием метода последовательного приближения из следующего соотношения:

,

где Q_ma – средняя арифметическая разность температур между теплоносителями в теплообменном аппарате,

.

Индекс  противоточности для выбранной схемы теплообменного аппарата, заданных температурных режимов и водяных эквивалентов теплоносителей определяется также по уравнению Н.И. Белоконь для характеристической разности температур

.

Так как  , то выбранный стандартный теплообменный аппарат способен обеспечить заданные температурные режимы теплоносителей.                                            

7.    Определение коэффициента теплоотдачи от горячего теплоносителя к стенке (α1, Вт/(м2∙К))

Горячий теплоноситель (вода) направляем в трубное пространство, так как ремонтопригодность является определяющим фактором, несмотря на то, что  вязкость воды выше и площадь межтрубного пространства больше.

,

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

  ºC, .

 

Т.к. , то значения коэффициентов C, j,y и i будут равны [2, таблица 7 ]:     С =9,85 j = 0; y = 0,43; i=0

8.    Определение коэффициента теплоотдачи от стенки к холодному теплоносителю (α2, Вт/(м2∙К))

Холодный теплоноситель (Нефть 1) пускаем в межтрубное пространство.

 

Скорость движения холодного теплоносителя  не попадает в рекомендуемый диапазон скоростей w₂ = ( 0,5 ÷ 3) м/с, что ведет к уменьшению теплоотдачи, увеличению загрязнений, однако снижаются потери давления и предотвращаются нежелательные последствия вибрации труб.

В теплообменных  аппаратах с установленными в  межтрубном пространстве перегородками характер обтекания пучка труб близок к поперечному. Поэтому за определяющий размер здесь принимается наружный диаметр труб  .  

, где  

С₁ = 0,71; m = 0,5; n = 0,36 [ 2, таблица 8];   С_Z = 1 [ 2, рис 9];

С = 0,682 [ 1, таблица 3-7];    Pr_СТ = 50.

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

Определяем расчетный коэффициент теплопередачи для стандартного теплообменного аппарата.

;

Водяной эквивалент: 

Погрешность: 

III.    Поверочный тепловой расчет теплообменного аппарата

При поверочном тепловом расчете известны: тип, характеристика и геометрические размеры теплообменного аппарата, виды, расходы и температуры теплоносителей на входе в теплообменник. В расчете необходимо определить мощность теплообменного аппарата и температуры теплоносителей на выходе из теплообменного аппарата.

1.    Мощность теплообменного аппарата по данным проверочного расчета

,  где W_m – приведенный водяной эквивалент,

; 

  ;

;

Погрешность:  

Расчетные температуры теплоносителей на выходе из теплообменного аппарата:

 ;

 ºС.

 

 

 

Погрешности:

Конечные температуры находятся  в пределах погрешности, следовательно, выбранный теплообменный аппарат  обеспечит необходимый тепловой режим.

IV.    Гидравлический расчет теплообменного аппарата

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

1.    Падение давления теплоносителя в трубном пространстве

,                                

где Dp_п.тр – падение давления, обусловленное потерями на трение; Dp_м.с – падение давления, обусловленное местными сопротивлениями; Dp_нив – падение давления, обусловленное изменением центра тяжести потока; Dp_уск – падение давления, обусловленное ускорением потока теплоносителя.

, где

λ – коэффициент гидравлического сопротивления внутренней поверхности труб,

при Re > 2300:

где  ξ_вх, ξ_вых – коэффициенты местных сопротивлений на входе и выходе из трубного пространства, ξ_вх = ξ_вых = 1,0;

ξ_П – коэффициент местного сопротивления в промежуточной камере при переходе потока из одной секции трубного пространства в другую (поворот потока на 180º), ξ_П = 2,5.

Dp_нив=0 - теплообменный аппарат горизонтальный.

Dp_уск=0 - незначительное изменение плотности теплоносителя.

2.    Падение давления теплоносителя в межтрубном пространстве

Падение давления теплоносителя в межтрубном пространстве определяется из соотношения

,                          (35)

где Dp_п – падение давления теплоносителя при поперечном омывании пучка труб между перегородками; Dp_в.п – падение давления в окнах сегментных перегородок; Dp_в.к – падение давления во входной и выходной секциях межтрубного пространства; Dp_в.м – падение давления на входе и выходе из межтрубного пространства; Dp_нив – падение давления, обусловленное изменением центра тяжести потока; Dp_уск – падение давления, обусловленное ускорением потока теплоносителя.

Падение давления теплоносителя  при поперечном омывании пучка труб между перегородками рассчитывается по формуле:

  , где

Δp_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 [ 2, таблица 11]:

b₁ = 3,5;   b₂ = – 0,476;   b₃ = 6,59;   b₄ = 0,52

;

где

r₁, r₂ – определяющие параметры конструкции [ 1, таблица 3-5 ]:

r₁ = 0,123; r₂ = 0,232.

;

r₃ = 0,136; r₄ = 0.

 

где

ξ_вх, ξ_вых – коэффициенты местных сопротивлений на входе и выходе из межтрубного пространства: ξ_вх = 1,5; ξ_вых = 1,0.

 

Dp_нив=0 - теплообменный аппарат горизонтальный.

Dp_уск=0 - незначительное изменение плотности теплоносителя.

3.    Мощности привода насосов

Эффективные мощности привода насосов:

, где 

η_oi – относительный внутренний к.п.д. перекачивающих устройств;

η_м –механический к.п.д. перекачивающих устройств.

4.    Коэффициент энергетической эффективности

V.    Графическая часть курсовой работы

При прохождении  через теплообменный аппарат  рабочих жидкостей изменяются температуры  горячих и холодных жидкостей. На изменение температур большое влияние  оказывают схема движения жидкостей  и величины условных эквивалентов.

При прямотоке конечная температура холодного теплоносителя всегда ниже конечной температуры горячего теплоносителя. При противотоке (рис.6) конечная температура холодной жидкости может быть значительно выше конечной температуры горячей жидкости. Следовательно, в аппаратах с противотоком можно нагреть холодную среду, при одинаковых начальных условиях, до более высокой температуры, чем в аппаратах с прямотоком.

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

 

 

Рис. 6. График изменения температуры теплоносителей при прямотоке и противотоке.

 

 

 

 

 

Список  использованной литературы

1. Трошин А.К., Купцов С.М., Калинин А.Ф. Термодинамические  и теплофизические свойства рабочих тел теплоэнергетических установок. МПА-Пресс, М., 2006.

2. Калинин А. Ф. Расчёт и выбор конструкции кожухотрубного теплообменного аппарата. – М., РГУНГ им. И.М. Губкина, 2002. – 82 с.

3. Поршаков Б. П. Романов Б.А. Основы термодинамики и теплотехники. – М., Недра, 1988.       – 300 с.