Определение показателей рабочего процесса и основных размеров теплообменного аппарата

Российский  государственный университет

нефти и газа имени И. М. Губкина

 

Кафедра термодинамики и тепловых двигателей

 

 

 

 

 

 

 

 

Курсовая  работа

по  дисциплине «Теплотехника»

на  тему:

«Определение  показателей рабочего процесса

и основных размеров теплообменного аппарата»

Вариант №1

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил:

Студент группы ММ-09-12

Валеева М.В.

 

Проверил:

доцент, к.т.н. Микаэлян Э.А.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Москва 2012 г.

 

 

Оглавление

Введение 3

I.    Типы кожухотрубных теплообменников  и особенности их конструкции 3

II.     Конструктивный тепловой расчет и выбор конструкции теплообменного аппарата 7

1.    Исходные данные 7

2.    Теплофизические свойства горячего и холодного теплоносителей ( ). 7

3.    Мощность теплообменного аппарата 7

4.    Средняя разность температур, минимальный индекс противоточности 8

5.    Предварительное определение водяного эквивалента поверхности нагрева и размеров аппарата 9

6.    Конструктивные характеристики кожухотрубного теплообменного аппарата, индекс противоточности 10

7.    Определение коэффициента теплоотдачи от горячего теплоносителя к стенке (α1, Вт/(м2∙К)) 11

8.    Определение коэффициента теплоотдачи от стенки к холодному теплоносителю (α2, Вт/(м2∙К)) 12

9.    Коэффициент теплопередачи к (Вт/(м2∙К)) и водяной эквивалент поверхности нагрева  кF (Вт/К) 12

III.    Поверочный тепловой расчет теплообменного аппарата 13

1.    Мощность теплообменного аппарата по данным проверочного расчета 13

IV.    Гидравлический расчет теплообменного аппарата 14

1.    Падение давления теплоносителя в трубном пространстве 14

2.    Падение давления теплоносителя в межтрубном пространстве 15

3.    Мощности привода насосов 16

4.    Коэффициент энергетической эффективности 16

V.    Графическая часть курсовой работы 17

Список использованной литературы 19

 

 

Введение

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.

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.

I.    Типы кожухотрубных теплообменников и особенности их конструкции

Применительно к нефтегазоперерабатывающей промышленности теплообменные аппараты классифицируются по способу передачи тепла и назначению,

В зависимости от способа передачи тепла аппараты делятся на следующие  группы.

Поверхностные теплообменные аппараты, в которых передача тепла между теплообменивающимися средами осуществляется через поверхность, разделяющую эти среды.

Аппараты смешения, в которых передача тепла между теплообменивающимися средами происходит при их непосредственном контакте.

В зависимости от назначения аппараты делятся на следующие группы.

Теплообменники - в них один поток нагревается за счет использования тепла другого, получаемого в технологическом процессе и подлежащего в дальнейшем охлаждению.

Нагреватели, испарители, кипятильники - в них нагрев или частичное испарение осуществляется за счет использования высокотемпературных потоков нефтепродуктов или специальных теплоносителей (водяной пар, масло и др.).

Холодильники и конденсаторы - они предназначены для охлаждения потока или конденсации паров с использованием специального охлаждающего агента (вода, воздух, испаряющийся аммиак, пропан и др.).

Кристаллизаторы предназначены для охлаждения соответствующих жидких потоков до температур, обеспечивающих образование кристаллов некоторых составляющих смесь веществ. В качестве охлаждающего агента используются вода или специальные хладагенты в виде охлажденных рассолов, испаряющихся аммиака, пропана и др.

Поверхностные теплообменные аппараты классифицируются в зависимости от их конструкции. К их числу относятся следующие.

Кожухотрубчатые теплообменные аппараты с неподвижными трубными решетками (рис. 1).

Рис. 1. Кожухотрубчатый теплообменник с неподвижными трубными решетками:

1 - распределительная камера; 2 - кожух; 5 - теплообменная труба; 4 - поперечная  перегородка;    5 - трубная решетка; б - крышка кожуха; 7 - опора

В зависимости  от числа перегородок в распределительной  камере кожухотрубчатые теплообменные аппараты делятся на:

• одно-, двух- и многоходовые в трубном пространстве;
• аппараты   многоходовые    в   межтрубном    пространстве    с    продольными 
  перегородками;
• аппараты    с    поперечными    перегородками    сегментными,    секторными, кольцевыми и др.

Теплообменники  этого типа применяют при разнице  температур теплообменивающихся сред, проходящих через трубки и межтрубное пространство, не более 50° и при сравнительно небольшой длине аппарата.

Достоинством  аппаратов этого типа является простота конструкции и, следовательно, меньшая стоимость.

В зависимости  от расположения теплообменных труб различают теплообменные аппараты горизонтального и вертикального типа.

Кожухотрубчатые теплообменные аппараты с плавающей головкой (с подвижной трубной решеткой) являются наиболее распространенным типом поверхностных аппаратов (рис.2). Подвижная трубная решетка позволяет трубному пучку свободно перемещаться независимо от корпуса.

Рис. 2. Кожухотрубчатый теплообменник с плавающей головкой:

1 - крышка распределительной камеры; 2 - распределительная камера; 3 - неподвижная  трубная решетка; 4 - кожух; 5 - теплообменная  труба; 6 - поперечная перегородка; 7 - подвижная трубная решетка; 8 - крышка кожуха; 9 - крышка плавающей головки; 10 - опора; 11 - катковая опора трубчатого пучка

По кожуху (межтрубному пространству) аппараты с плавающей головкой чаще всего  выполняют одноходовыми. В аппаратах с двумя ходами по корпусу устанавливают продольную перегородку, что обеспечивает противоток потоков.

 

Кожухотрубчатые теплообменные аппараты с температурным компенсатором. В этих аппаратах для частичной компенсации температурных напряжений используют специальные гибкие элементы (расширители, компенсаторы), расположенные на корпусе. Вертикальный кожухотрубчатый испаритель с неподвижными трубными решетками (рис. 3) отличается установкой между двумя частями кожуха 4 линзового компенсатора 3.

 

  

Рис. 3. Вертикальный кожухотрубчатый испаритель с неподвижными трубными решетками и температурным компенсатором на корпусе:

1 - распределительная камера; 2 -трубные  решетки; 3 - компенсатор; 4 -кожух; 5 - опора; 6- теплообменная труба; 7 - поперечная «сплошная» перегородка; 9 - крышка. Потоки: I -испаряющаяся среда; II - конденсат; III - парожидкостная смесь; IV - водяной пар.

В аппаратах  подобного типа используют одно- и  многоэлементные линзовые компенсаторы

Кожухотрубчатые теплообменники с U-образными трубками (см. рис.4) имеют одну трубную решетку, в которую ввальцованы оба конца U-образных трубок, что обеспечивает свободное удлинение трубок при изменении их температуры. Преимущество теплообменников с U-образными трубками - отсутствие разъемного соединения внутри кожуха, что позволяет успешно применять их при повышенных давлениях. Недостатком таких аппаратов является трудность чистки внутренней и наружной поверхности труб, вследствие которой они используются преимущественно для чистых продуктов.

Рис. 4. Кожухотрубчатый теплообменник с U-образными трубками:

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

Эффективность кожухотрубчатых теплообменных аппаратов повышается с увеличением скорости движения теплообменивающихся потоков и степени их турбулентности. Для повышения скорости движения потоков в межтрубном пространстве и обтекаемости поверхности теплообмена, создания большей турбулентности потоков и организации движения теплоносителя в направлении перпендикулярном к оси труб, в кожухотрубчатых теплообменных аппаратах устанавливают специальные поперечные перегородки. Они выполняют также роль опор трубчатого пучка, фиксируют трубы на заданном расстоянии одна от другой и уменьшают вибрацию труб.

На рис. 5 показаны поперечные перегородки разных типов. Наибольшее распространение получили сегментные перегородки (см. рис. 5, а). Высота вырезаемого сегмента равна примерно 1/3 диаметра аппарата, а расстояние между перегородками - около 0,5 диаметра аппарата. Поперечные перегородки с секторным вырезом (см. рис. 5, б) оснащены дополнительной продольной перегородкой, равной по высоте половине диаметра аппарата. Секторный вырез, по площади равный четверти сечения аппарата, располагают в соседних перегородках в шахматном порядке. При этом теплоноситель в межтрубном пространстве совершает вращательное движение то по часовой стрелке, то против нее.

Рис 5. Поперечные перегородки кожухотрубчатых аппаратов:

 а-с сегментным вырезом; б- с секторным вырезом; в - кольцевые; г - с щелевым вырезом;

д - «сплошные»

Аппараты  со «сплошными» перегородками (см. рис. 5, д) используют обычно для чистых жидкостей. В этом случае жидкость протекает по кольцевому зазору (около 1,5 мм) между трубой и перегородкой.

 

 

 

 

 

II.     Конструктивный тепловой расчет и выбор конструкции теплообменного аппарата

При конструктивном тепловом расчете  известны: виды и температуры теплоносителей на входе и выходе из теплообменного аппарата, а также расходы теплоносителей. Целью расчета является определение тепловой мощности и площади поверхности теплообменного аппарата, с дальнейшим конструированием нового или выбором стандартного аппарата.

В основу теплового расчета рекуперативных теплообменных аппаратов положены: уравнение теплового баланса и обобщенное уравнение теплопередачи при переменных температурах .

1.    Исходные данные

Горячий теплоноситель					Холодный теплоноситель
Название	t1 ,°С	t2 ,°С	G1, кг/с	Название		t1 ,°С	t2 ,°С
Вода	140	90	10	Нефть 1		18	96

2.    Теплофизические свойства горячего и холодного теплоносителей ( ).

Средние арифметические температуры теплоносителей.

Горячий теплоноситель:      

Холодный  теплоноситель: 

Средняя  арифметическая температура стенки:   

Исходя  из средних арифметических температур, находим теплофизические свойства теплоносителей [1, стр. 43-47, стр. 55].

 

Теплоно-ситель	cpm, Дж/(кг∙К)	l, Вт/(м∙К)	n∙106, м2/с	r, кг/м3	Pr	β·104, 1/К
Вода t = 115 ОС	4250	0,686	0,252	943,1	1,47	8,64
Нефть 1 t = 57 ОС	2080	0,127	4,9	845	84	7,8

 

3.    Мощность теплообменного аппарата

Уравнение теплового баланса:   , где

Находим массовый расход холодного теплоносителя:

;

4.    Средняя разность температур, минимальный индекс противоточности

, где

  – коэффициент, учитывающий различие между средней логарифмической разностью температур между теплоносителями для противоточной схемы движения и действительной средней разностью температур .

- средняя разность температур  между теплоносителями, рассчитывается  по уравнению Грасгофа для противоточной схемы движения теплоносителей.

 

Коэффициент определяется по графику в зависимости от следующих величин:

 Для четырехходового теплообменного аппарата по графику [2, рис. 1-2] определяем: .

 

 

Минимальный индекс противоточности:

5.    Предварительное определение водяного эквивалента поверхности нагрева и размеров аппарата

Водяной эквивалент:

Предварительная оценка  коэффициента теплопередачи  от горячего к холодному теплоносителю:

, где 

- коэффициент конвективной теплоотдачи воды в трубном пространстве [2, таблица 1];

- коэффициент конвективной теплоотдачи нефти в межтрубном пространстве [2, таблица 1];

- термическое сопротивление  загрязнений на внутренней поверхности  теплообменных труб [2, таблица 3];