Тепловой и гидравлический расчёт теплообменных аппаратов

метки: Теплообменный, Теплов, Теплотехник, Расчет, Аппарат, Теплоноситель, Пространство, Межтрубный

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

Кафедра термодинамики и тепловых двигателей

Курсовая работа: «Тепловой и гидравлический расчёт теплообменных аппаратов»

Выполнил: Мостовой Е.Н.

РН-05-1

Проверил: Шотиди К.Х

Москва 2007

I. 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.

Сложный теплообмен и типы теплообменных аппаратов

... - t2 ), теплоперенос теплопередача теплообменный где Ф- тепловой поток, Вт, k - средний коэффициент теплопередачи, Вт/(м2град), F - поверхность теплообмена в аппарате, м2, t1 и t2 - соответственно температуры горячего и холодного теплоносителей. Для нахождения ...

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.

II. Конструктивный тепловой расчёт.

1) Исходные данные.

Теплоноситель	Массовый расход G, кг/с	Температура на входе в ТА t’, °C	Температура на выходе из ТА t”, °C
Горячий: вода	23	198	105
Холодный: мазут	—	27	118

Определение теплофизических свойств горячего и холодного теплоносителей (с _pm , λ, ν, ρ, Pr).

Определим среднюю арифметическую температуру теплоносителей.

°C

°C

Теплоноси-тель	Удельная массовая теплоёмкость c pm , кДж/(кг∙К)	Коэффициент теплопровод-ности λ, Вт/(м∙К)	Кинематический коэффициент вязкости ν, 10-6 м2 /с	Плотность ρ, кг/м 3	Число Прандтля Pr
Вода (t=151,5 °C)	4,32	0,684	0,204	917	1,18
Мазут (t=72,5 °C)	2,02	0,126	45	905	700

Определим мощность теплообменного аппарата.

η – коэффициент, учитывающий тепловые потери в окружающую среду (от 0,95 до 0,98).

Примем η=0,97.

Вт

Расчитаем массовый расход мазута.

Q ₂ =η∙Q₁

Вт

кг/с

Определим среднюю разность температур между теплоносителями θ _m .

Для противоточной схемы движения теплоносителей средняя разность температур между теплоносителями θ _m рассчитывается по уравнению Грасгофа:

где °C

°C

°C

Определим оптимальный диапазон площадей проходных сечений (f ₁ , f₂ ) и минимального индекса противоточности P_min ТА.

Выберем скорости теплоносителей:

вода – ω ₁ =3 м/с;

мазут – ω ₂ =0,2 м/с.

м ²

м ²

Выбираем противоток P=1.

Определим водяной эквивалент kF и площадь поверхности F теплообмена ТА.

Вт/К

Коэффициент теплопередачи от горячего к холодному теплоносителю определяется по соотношению:

• где , – коэффициенты теплоотдачи в трубном и межтрубном пространстве;
• и – термические сопротивления загрязнений на внутренней и наружной поверхности теплообменных труб;
• толщина стенки теплообменных труб кожухотрубных ТА (от 1,5 до 3 мм).

  Примем м.

• коэффициент теплопроводности стенки теплообменных труб.

α _тр =1500 Вт/(м² К); α_мтр =500 Вт/(м² К); м² К/Вт; м² К/Вт;

м ² К/Вт.

Вт/(м ² К)

В итоге площадь поверхности теплообмена ТА:

м ²

2) Предварительный выбор ТА по каталогу.

а) Выбираем теплообменник с плавающей головкой.

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

в) По диапазону площадей проходных сечений трубного и межтрубного пространства, а также по величине расчётной площади поверхности теплообмена, предварительно выбираем следущий ТА.

Характеристики ТА:

Диаметр кожуха, мм		Наруж. диам. труб d н , мм	Число ходов по трубам n x	Площадь проходного сечения f·10 -2 , м2			Площ. пов. теплооб F, м 2
Наруж.	Внут.			Одного хода по тр. f тр	В вырезе перегородки f в.п.	Между перегородками f м.п.	Длина тр. l=6000 мм.
—	1400	20	4	8,4	17,9	30	693

3) Рассчитаем коэффициенты теплоотдачи от горячего теплоносителя к стенке α ₁ и от стенки к холодному теплоносителю α₂ .

Коэффициент теплоотдачи в трубном

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 выбранного стандартного ТА:

м/с

При Re=23411 → С=0,021; j=0,8; y=0,43; i=0.

При θ _m =79 ˚C → Pr_c =2,21 (для воды)

В итоге α _тр =2579 Вт/м² К

Коэффициент теплоотдачи в межтрубном

Nu, Re, Pr –числа подобия для теплоносителя, движущегося в межтрубном пространстве ТА, при средней арифметической температуре потока.

Средняя скорость теплоносителя в межтрубном пространстве выбранного стандартного ТА:

м/с

Выберем расположение труб в пучке виде квадрата.

При Re=102 → C ₁ =0,71; C=0,658; m=0,5; n=0,36.

z _n =42 → C_z =1.

При θ _m =79 ˚C → Pr_c =450 (для мазута)

В итоге Nu=55,72, а

α _мтр =351 Вт/м² К

4) Определим коэффициент теплопередачи, водяной эквивалент и площадь поверхности теплообмена ТА.

k=154,36 Вт/м ² К

м ²

Оставляем тот же аппарат.

III. Проверочный тепловой расчёт.

1) Определяем фактическую тепловую мощность выбранного ТА Q.

Воспользуемся формулой Н.И.Белоконя:

В итоге Вт

2) Рассчитаем действительные конечные температуры теплоносителей (,).

˚С

˚С

Погрешности найденных температур:

Погрешность тепловой мощности:

IV. Гидравлический расчёт.

1) Рассчитаем падения давления горячего и холодного теплоносителей в ТА.

Падение давления в трубном пространстве.

ΔP _п.тр – падение давления, обусловленное потерями на трение; ΔP_м.с. – падение давления, обусловленное местными сопротивлениями; ΔP_нив – падение давления, обусловленное изменение центра тяжести потока; ΔP_уск – падение давления, обусловленное ускорением потока теплоносителя.

Re>2300 → Вт/м ² К

Па

ζ _вх = ζ_вых =1 – коэффициенты местных сопротивлений на входе и выходе из трубного пространства; ζ_n =2,5 – коэффициент местных сопротивлений в промежуточной камере при переходе потока из одной секции трубного пространства в другое (поворот потока на 180˚).

Па

При использовании горизонтального ТА ΔP _нив =0.

Па

ΔP _тр =1532+306+1920=3758 Па

Падение давления в межтрубном пространстве.

ΔP _п – падение давления при поперечном омывании пучка труб между перегородками; ΔP_в.п – падение давления в окнах сегментных перегородок; ΔP_в.к – падение давления во входной и выходной секциях межтрубного пространства.

ΔP _по – падение давления при обтекании идеального пучка труб поперечным потоком.

При Re=102 → b ₁ =3,5; b₂ =-0,476; b₃ =6,59; b₄ =0,52;

Шаг труб в трубном пучке t=26·10 ^-3 м. Число рядов труб, омываемых поперечным потоком z_n =40. Число сегментных перегородок N_пер =8.

В итоге Па

Поправочный коэффициент x ₁ – учитывает влияние на падение давления теплоносителя межтрубном пространстве потоков, проходящих в зазорах между трубами, отверстиями в перегородках, между кожухом и сегментными перегородками.

r ₁ =0,144; r₂ =0,166 – определяющие параметры конструкции.

Поправочный коэффициент x ₂ – учитывает байпасные потоки.

r ₃ =0,128; r₄ =0.

В итоге ΔP _п =536 Па

• число рядов труб, пересекаемых перегородкой.

l ^’ =0,6 м – шаг перегородок.

м

В итоге Па

ζ _вх =1,5; ζ_вых =1 – коэффициенты местных сопротивлений на входе и выходе из межтрубного пространства.

В итоге Па

Для межтрубного пространства горизонтального ТА ΔP _уск и ΔP_нив не берут в расчёт.

ΔP _мтр =7214+536+2026+101=9877 Па

2) Определить мощности привода насосов.

Вт

Вт

Эффективные мощности привода насосов:

Вт

η _ов =0,8 – относительный внутренний кпд перекачивающих устройств.

η _м =0,95 – механический кпд перекачивающих

Вт

Коэффициент эффективности ТА:

V. Графическая часть.

Схема ТА:

Схема движения теплоносителей и положение перегородок в распределительной камере и задней крышке ТА:

Число ходов по трубам	Распределительная камера	Задняя крышка
4