Тепловой и гидравлический расчёт теплообменных аппаратов

Российский  государственный университет нефти  и газа им. И.М.Губкина

 

Кафедра термодинамики  и тепловых двигателей

 

 

 

 

 

 

Курсовая работа: «Тепловой  и гидравлический расчёт теплообменных  аппаратов»

 

 

 

 

 

                                                                              Выполнил: Рассадин В.

                                                                                       ХТ-11-1

                                                                        Проверила: Назарьина А.М.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Москва 2013

1. Введение.

Классификация теплообменных аппаратов.

 

Теплообменный аппарат (ТА) – устройство, в котором осуществляется теплообмен между двумя или несколькими  теплоносителями либо между теплоносителем и поверхностью твёрдого тела. Процесс  передачи теплоты от одного теплоносителя к другому — один из наиболее важных и часто используемых в технике процессов, например получение пара. Широкое использование теплообменного оборудования в нефтяной и газовой промышленности обязывает специалистов уметь их рассчитывать, обобщать опыт их эксплуатации, анализировать рабочий процесс и намечать пути повышения эффективности их работы.

При выборе стандартного ТА необходимо провести конструктивный и проверочный тепловые расчёты, а также гидравлический расчёт теплообменника. Целью конструктивного теплового расчёта является определение типа ТА и его конструкции. В результате проверочного теплового расчёта выясняется возможность использования стандартного теплообменника при заданных температурных режимах теплоносителей. Гидравлический расчёт ТА необходим для определения мощностей энергопривода насосов и компрессоров для перекачки теплоносителей через аппарат.

 

Типы ТА:

1.Рекуперативный (от лат. recuperator - получающий обратно, возвращающий), теплообменник, в котором теплообмен между теплоносителями осуществляется непрерывно через разделяющую их стенку.

2. Регенеративный (от  лат. regenero — вновь произвожу), теплообменник,  в котором передача теплоты  осуществляется поочередным соприкосновением  горячего и холодного теплоносителей с одними и теми же поверхностями аппарата.

3. Смесительный

 

Кожухотрубные теплообменники относятся к поверхностным ТА рекуперативного типа. Различают  следущие типы кожухотрубных ТА:

1. С неподвижными трубными  решётками.

2. С неподвижными трубными решётками и с линзовым компенсатором на кожухе.

3. С плавающей головкой.

4. С U – образными трубами.

В зависимости от расположения теплообменных труб различают ТА горизонтального и вертикального  типа. От числа перегородок в распределительной  камере и входной крышке – на одноходовые, двухходовые и многоходовые в трубном пространстве. От числа продольных перегородок, установленных в межтрубном пространстве, – на одно- и многоходовые в межтрубном пространстве.

 

ТА с плавающей головкой используются при температурах теплообменивающихся сред от -30 ˚С до +450 ˚С, давление в трубном пространстве может достигать 8 МПа. С неподвижными трубными решётками и с температурным коэффициентом на кожухе используются при температурах от -70 ˚С до +350 ˚С, давление в межтрубном пространстве может достигать 4 МПа.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Расчетная  часть.

 

1) Определение неизвестного массового расхода продуктов сгорания G₁ и параметров теплоносителей.

       

 

Теплоноситель	G, кг/с	t`,  C	t``,  C	tср, C
Горячий теплоноситель (продукты сгорания)	?	310	150	230
Холодный теплоноситель (мазут)	9,72	30	80	55

         

Дано: 

  средняя температура теплоносителей 

 

Выписываем теплофизические свойства при tср:

				,
Горячий теплоноситель	Продукты сгорания	1055	0,706	16,87	1,065	0,0272
Холодный теплоноситель	мазут	1912	2585	250	940	0,1184

 

Для нахождения массового  расхода записываем уравнение теплового  баланса:

  

находим тепловую мощность Q:

 

- коэффициент, учитывающий потери тепла в окр. среду.

Направляем продукты сгорания в трубное пространство, а мазут в межтрубное.

 

 2) Определяем мощность теплообменного аппарата Q по исходному заданию:

 

 

3) Определим среднюю разность  температур между теплоносителями  по уравнению Грасгофа:

                                                                                                 

                                                                               

                                                                                 

 

4) Определяем водяной  эквивалент  :

   

5) Определим расчетную  площадь поверхности теплообмена:

                                                                        

6) Определим минимальный индекс противоточности

                           

Выбираем противоток

 

7) Выбор типа, конструкции и размеров теплообменного аппарата:

а) Выбираем теплообменник  с неподвижными трубчатыми решетками.

б) По значениям вязкости теплоносителей и термических загрязнений направляем продукты сгорания в трубное, а мазут в межтрубное пространство.

в) По диапазону площадей проходных сечений трубного и  межтрубного пространства, а также  по величине расчетной площади поверхности  теплообмена, предварительно выбираем двуходовой аппарат с площадью теплообмена с трубами длинной 3 м.

 

Конструктивные характеристики выбранного аппарата.

Внутренний диаметр кожуха , м	1
Наружный диаметр кожуха, м	-
Наружный диаметр теплообменных  труб , м	0,02
Число ходов по трубам,	2
Площади проходного сечения  одного хода:
По трубам ,	0,114
В вырезе перегородки  ,	0,101
Между перегородками  ,	0,146
Площадь поверхностного теплообмена  ,	214
Длина теплообменных  труб L, м	3

 

 

 

 

 

 

 

8) Расчет коэффициента теплопередачи.

 

Для расчета необходимо посчитать  и .

                                                               

где Re, Pr, Gr – числа подобия теплоносителя, движущегося в теплообменных трубах ТА, при средней арифметической температуре потока; Pr_c – число Прандтля теплоносителя, движущегося в теплообменных трубах ТА, при средней температуре стенки тубы; λ_тр – коэффициент теплопроводности теплоносителя, движущегося в теплообменных трубах ТА.

 

Средняя скорость теплоносителя в трубном пространстве:

                 

                                                

 

Число Рейнольдса:

                      

Из таблицы определяем следующие константы:

C=0,21;    j=0,8;   y=0,43;    i=0  

 

Определим 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 квадрата.

 

Вычислим среднюю скорость теплоносителя в межтрубном пространстве:

 

                                         

 

Посчитаем число Рейнольдса:

 

                                                                     

 

Выбираем коэффициенты:

m=0,5;  n=0,36;  C=0,693;  Cz=0,97;  C1=0,71;

 

Выбираем  для мазута при

 

 

Рассчитаем 

 

Подставим полученное

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Расчет второго рода

Проверочный тепловой расчет теплообменного аппарата

 

1. Определяем фактическую тепловую мощность выбранного аппарата:

                                                                          

 

Вычислим приведенный  водяной эквивалент :

                                                                           

                                                                         

                                                                        

 

 

Подставим полученные значения в

 

 

2. Определим действительные температуры теплоносителей на выходе теплообменного аппарата:

                                                              

                                                               

 

Вычислим погрешности  найденных температур:

                                                

Вычислим погрешность  тепловой мощности:

                                         

 

4. Гидравлический расчет теплообменного аппарата.

Расчет падения  давления в трубном и межтрубном пространстве

 

1. Падение давления в трубном пространстве:

                                                           

 

Т.к Re >2300, то рассчитывается по формуле:

                               

 

         

 

2. Падение давления в межтрубном пространстве:

                 

 

Выпишем из таблиц известные коэффициенты:

                           

 

                                                              

                                  

                                         

                                                                  

                                                          

                                                                        

 

Подставим:

 

 

5. Определение мощности электропривода насосов:

 

1. Находим мощности для перекачки теплоносителей через трубное и межтрубное пространство:

 

                                                         

                                             

 

 

2) Вычислим эффективные мощности насосов:

 

                                                          

                                                     

 

 

Оценка энергетической эффективности теплообменного аппарата.