Расчет аппарата воздушного охлаждения

Теплообменная аппаратура составляет 30-40% оборудования на нефтеперерабатывающих, нефтехимических и смежных с ними производствах. Значительную долю всех теплообменных аппаратов составляет конденсационно-холодильная аппаратура, предназначенная для конденсации паров и охлаждения жидких продуктов технологических процессов.

В настоящее время все большее применение находят конденсаторы и холодильники, использующие в качестве охлаждающего агента атмосферный воздух.

Широкое распространение в промышленности получили аппараты воздушного охлаждения (АВО), в которых в качестве охлаждающего агента используется поток атмосферного воздуха, нагнетаемый специально установленными вентиляторами.

Имеется несколько видов АВО, различающихся теплопередающей поверхностью: горизонтальные, зигзагообразные, шаровые, вертикальные.

Аппараты воздушного охлаждения зигзагообразные типа АВЗ предназначены для конденсации и охлаждения парообразных, газообразных и жидких сред (с вязкостью на выходе до 5х10-5 м 2 /с), применяемых в технологических процессах нефтеперерабатывающей, нефтехимической и смежных отраслей химической промышленности.

Конструктивные особенности АВО незначительны, на них присутствуют: трубы могут как прямыми, так и спиральными. Направление потока воздуха также допускает вариации, горизонтально либо же вертикально, в зависимости от особенностей данной системы. Соответственно при выборе аппарата следует обратить внимание как на систему, которую ему необходимо обслуживать, так и на климатические условия эксплуатации.

Преимущества этих аппаратов:

  • экономия охлаждающей воды и уменьшение сточных вод;
  • значительное сокращение затрат труда на очистку аппарата ввиду отсутствия накипи, солей;
  • уменьшение расходов, связанных с организацией оборотного водоснабжения технологических установок;
  • экономия легированных дорогостоящих сталей, которые требуются для защиты от коррозии со стороны охлаждающей воды;
  • экологичность;
  • сокращение монтажно-строительных работ;
  • длительный срок службы;
  • широкий интервал температур до 400С;
  • давление среды до 16,0 МПа или вакуум с остаточным давлением до 655 Па.

Технологический расчет АВО включает в себя тепловой и гидравлический расчеты, в результате которых определяют необходимую поверхность теплообмена, основные размеры аппарата, расход воздуха, потери напора воздуха, проходящего через пучок труб.

9 стр., 4269 слов

Проектирование теплообменных аппаратов нефтеперерабатывающей промышленности

... теплом, происходит ли при этом только нагрев и охлаждение или же теплообмен сопровождается испарением или конденсацией. Применительно к нефтеперерабатывающей промышленности, теплообменные аппараты классифицируются по таким основным признакам, как способ ...

Рисунок 1.2 — Аппарат воздушного охлаждения горизонтального типа:

В аппаратах горизонтального типа теплопередающая поверхность секции расположена горизонтально. Преимуществом аппаратов этого типа является простота конструкции, облегчающая монтаж и обслуживание аппаратов. Кроме того, в аппаратах горизонтального типа полностью используется подъемная сила нагретого воздуха, что очень эффективно при работе в режиме естественной конвекции. Недостатком аппаратов этого типа является значительная занимаемая площадь.

Таблица 1. — Технические характеристики аппарата воздушного охлаждения типа АВГ:

Показатель

Ед. изм.

Тип аппарата: АВГ

Давление условное

МПа

0,6;1,6;2,5;4,0;6,3

Коэффициент оребрения труб

9;14,6;20

Число рядов труб в секции

4;6;8

Количество секций в аппарате

шт.

3

Длина труб в секции

м

4

8

Площадь поверхности теплообмена

м?

875 ? 2560

1770 ? 6400

Количество колес вентиляторов в аппарате

шт.

1

2

Диаметр колеса вентилятора

м

2,8

Материальное исполнение секции

Б1;Б2;Б2.1;Б3;Б4;Б5

Тип трубных секций

Крышечный

Масса аппарата

кг

7230 ? 25760

2. Расчет и подбор теплообменника

2.1 Определение теплофизических свойств продукта

Поскольку трубное пространство аппарата по принципу действия близко к аппаратам идеального вытеснения, его можно разделить на две зоны: конденсации и охлаждения конденсата. В зоне конденсации температуру можно принять постоянной и равной T вх , а в зоне охлаждения конденсата теплофизические свойства определяются при средней его температуре. Все свойства конденсата удобно представить в таблице:

Таблица 2. — Теплофизические свойства конденсата:

Продукт: тяжелый бензин

Плотность, кг/м 3

Дин. вязкость, Пас

Уд. теплоемкость, Дж/кгК

Теплопроводность, Вт/мК

Уд. теплота конденсации, Дж/кг

Т 1вх =130C

1 =658

1 =0,28·10-3

с 1 =3010

1 =0,126

r=490·10 3

Т 2 =0,5(Твхвых )=90C

2 =691

2 =0,39·10-3

с 2 =2780

2 =0,126

Зависимость плотности от температуры выражается линейным уравнением:

(2.1)

Где:

  • соответственно плотности при искомой температуре t и 20 С, г/см 3 ;
  • температурный коэффициент по линейной зависимости от , находится по формуле:

(2.2)

;

кг/м 3 ;

кг/м 3 .

2.2 Тепловая нагрузка и предварительный подбор АВО

Тепловую нагрузку аппарата Q определим по формуле:

Q = Q 1 + Q2 (2.3)

Для этого определим количество тепла Q1, выделяющегося при конденсации, по формуле:

Q 1 = G r (2.4)

Q 1 = 6000 490•103 =2,94•109 Дж/ч.

Количество тепла Q 2 , выделяющегося при охлаждении конденсата, по формуле:

Q 2 = G •c2 •(Твх = Твых ) (2.5)

Q 2 = 6000 •2780•(130 — 90)= 0,6672•109 Дж/ч;

  • Q = Дж/с.

Определяем необходимую площадь поверхности теплообмена F. При предварительном подборе аппарата воздушного охлаждения выбираем величину напряженности, отнесенную к оребренной поверхности. Для всех типов АВО величина напряженности принимается равной:

q = 1000 2100 Вт/м 2 .

Примем q = 1100 Вт/ м 2 , тогда:

(2.6)

2 .

Выбираем аппарат воздушного охлаждения горизонтального типа с коэффициентом оребрения 14,6, длина труб 4 м., количество рядов труб 6, количество ходов по трубам 6, поверхностью теплообмена 1870 м?, внутренний диаметр трубок 0,022 м.

2.3 Определение коэффициента теплоотдачи со стороны воздуха

Приведенный коэффициент теплоотдачи, отнесенный к наружной поверхности, условно не оребренной трубы для труб с накатанными ребрами при коэффициенте оребрения 14,6 определяем по формуле:

пр = (2.7)

Скорость воздуха в узком сечении определяем по следующей формуле:

(2.8)

При этом принимаем наименьшую площадь сечения межтрубного пространства fм при коэффициенте оребрения цор =14,6 и длине труб l=4м равной 11,02 м?:

Расход воздуха Vв определяем при средней температуре воздуха из уравнения теплового баланса.

Температура воздуха на входе в аппарат T3 принимаем как среднюю температуру сухого воздуха в 13 часов дня наиболее жаркого месяца в году города Уфа, T3=23,4?С.

Температуру на выходе из аппарата T4 принимаем на 15?С выше конечной температуры охлаждаемой жидкости, но не более 60?С, T4=60?С. Среднюю температуру воздуха определим по формуле:

t ср = 0.5•(T3 + T4 ) (2.9)

t ср = 0,5•(23,4 +60) =42 ?С=315 K.

Объемный расход воздуха Vв:

(2.10)

м 3 /c.

Скорость воздуха в узком сечении :

м/с.

Коэффициент теплоотдачи:

Вт/м 2 К.

2.4 Определение коэффициента теплоотдачи паров продукта и площади поверхности теплообмена в зоне конденсации

Коэффициент теплоотдачи со стороны продукта будет иметь одно и то же значение как в случае использования гладкой наружной поверхности трубы, так и в случае оребренной.

Расчет коэффициента теплоотдачи со стороны конденсирующихся паров продукта определяют по формуле:

(2.11)

Где:

К L — поправочный коэффициент;

  • С — поправочный коэффициент (для горизонтальных труб С=0,72);
  • l — определяющий геометрический параметр (для горизонтальных труб l=0,022);

t s — температура конденсации, ?С;

t w — температура стенки, на которой конденсируется пар, ?С.

Так как коэффициент теплоотдачи б к зависит от перепада температур в пленке конденсата:

Дt кон = ts — tw = Т1 — tст1

То тепловой расчет должен проводиться методом подбора температуры стенки t ст1 со стороны конденсирующегося пара. Этот расчет сопряжен с решением системы уравнений:

(2.12)

Где:

r з1 , rз1 — термические сопротивления загрязнений от углеводородов и от воздуха соответственно;

д ст — толщина стенки;

л ст — теплопроводность материала стенки.

(2.13)

(2.14)

(2.15)

(2.16)

;

;

Добившись удовлетворительной сходимости 0,78% между значениями и (при температуре стенки 128,5°С), определяем необходимую площадь поверхности теплообмена в зоне конденсации по формуле:

q ср = 0,5 (q1 + q2 ) = 0,5(3980 + 4011) = 3995,5 Вт/м2 (2.17)

Таблица 3. — Результаты расчета температур в зоне конденсации:

129

1

2937

2,61

126,39

84,4

4078

128

2

4939

4,4

123,6

81,6

3943

127

3

6695

5,96

121

79

3817

128,5

1,5

3980

3,54

125

83

4011

128,4

1,6

4178

3,72

124,68

83,2

3995

(2.18)

м 2 .

Расчет коэффициента теплоотдачи:

(2.19)

Вт/м 2 К.

2.5 Определение коэффициента теплоотдачи на участке охлаждения конденсата и поверхности теплообмена этого участка

Коэффициент теплоотдачи на участке охлаждения зависит от режима движения продукта. Для развитого турбулентного режима движения коэффициент теплоотдачи рассчитывают по формуле:

(2.20)

Для предварительно выбранного аппарата число труб одного хода составляет n. Необходимо проверить режим движения продукта по трубам.

При объемном расходе:

(2.21)

м 3 /с.

Скорость движения продукта в трубах будет равной:

(2.22)

м/с.

Рекомендуемое значение скорости движения жидкости в трубопроводах 0,2 0,6 м/с. Критерии Рейнольдса и Прандтля определяются:

(2.23)

(2.24)

;

;

Вт/м 2 К.

Коэффициент теплопередачи в зоне охлаждения, отнесенный к наружной поверхности условно не оребренной трубы, рассчитывается по уравнению:

(2.25)

Вт/м 2 К.

Площадь поверхности теплообмена в зоне охлаждения составит:

(2.26)

Где:

t ср — средняя разность температур на участке охлаждения.

(2.27)

Где:

  • большая и меньшая разности температур на концах поверхности теплообмена и определяются по формулам:

(2.28)

?С.

(2.29)

?С.

м 2 .

Суммарная площадь теплообмена поверхности по гладкой поверхности теплоообмена (по гладкой поверхности трубы у основания ребер) будет равна:

F = F 1 + F2 (2.30)

F = 64,3 + 204,4 = 268,7 м 2 .

По уточненному расчету проверить правильность предварительного выбранного аппарата. Определим запас поверхности теплообмена:

(2.31)

Аппарат подобран правильно, т. к., запас поверхности теплообмена составляет Ш=11%.

3. Аэродинамический расчет

3.1 Расчет аэродинамического сопротивления пучка труб

Аэродинамическое сопротивление пучка труб определяется по формуле:

(3.1)

Где:

с в — плотность воздуха при его начальной температуре, кг/м3 ;

W уз — скорость воздуха в узком сечении трубного пучка, м/с;

n в — число горизонтальных рядов труб в пучке (по вертикали);

d н = 0,028 м. — наружный диаметр трубы;

S р = 0,0035 м. — шаг ребер.

Рисунок 3.1 — Оребренная биметаллическая труба:

Критерий Рейнольдса, отнесенный к диаметру труб d н , определяется по формуле:

(3.2)

Где:

н ср — кинематическая вязкость воздуха при средней температуре воздуха, м2 /с.

;

Па.

3.2 Расчет мощности электродвигателя к вентилятору

Мощность, потребляемая вентилятором, находится по формуле:

(3.3)

Где:

з — к. п. д. вентилятора, принимается в пределах з = 0,62-0,65.

кВт.

При подборе электродвигателя расчетную мощность следует увеличить на 10% для обеспечения пуска двигателя. Поэтому действительная мощность двигателя:

N э.д = 1,1 * N (3.4)

N э.д. =1,1М2,13=2,343 кВт.

Подбираем аппарат воздушного охлаждения горизонтального типа (АГ): АВГ-14,6-0,2-Б1-6 /6-6-4УХЛ1.

Данным условиям соответствует вентилятор ГАЦ-27-2.

Таблица 4. — Технические характеристики вентилятора ГАЦ — 27 — 2:

Тип вентилятора

ГАЦ — 27 — 2

Диаметр рабочего колеса вентилятора

м

2,7

Число лопастей

шт.

2

Скорость вращения

об/мин

470

Масса рабочего колеса

кг

32

Мощность электродвигателя

кВт

6

Номинальный расход воздуха

тыс. м 3

125

Номинальный напор

Па

120

4. Расчет на прочность

4.1 Определение расчетных параметров и выбор типа крышки

Длина и ширина крышки и решетки определяются исходя из количества труб в горизонтальном и вертикальном рядах секции.

Количество труб в горизонтальном ряду:

(4.1)

Принимаем z 1 = 21.

Количество труб в вертикальном ряду: Z 2 =6.

Шаг между трубами в горизонтальном ряду для АВО с коэффициентом оребрения ц=14,6 равен t 1 =58 мм.

Шаг между трубами в вертикальном ряду определяется по формуле:

(4.2)

мм.

Таким образом, шаг между трубами в вертикальном ряду для АВО с коэффициентом оребрения:

ц=14,6 * t 2 =52

Эскиз крышки и трубной решетки секции аппарата воздушного охлаждения приведен на рисунке 4.1:

Рисунок 4.1 — Камера аппарата воздушного охлаждения разъемной конструкции:

Ширина B 1 определяется по формуле:

(4.3)

В 1 =6•52=311 мм.

Длина L 1 определяется по формуле:

(4.4)

L 1 =21•58=1189 мм.

Ширину прокладки примем равной b p = 25 мм.

Наружный размер прокладки в поперечном направлении:

(4.5)

B 2 = 311 + 2 * 25=366 мм.

Наружный размер прокладки в продольном направлении:

(4.6)

L 2 = 1189 + 2 * 25 = 1239 мм.

Крепление крышки и трубной решетки производится:

  • болтами М20 при номинальном давлении до 2,5 МПа;
  • соответственно задается диаметр отверстия под болтовое соединение.

Под соединение болтами М20 диаметр отверстия:

d = 22 мм.

Расстояние между осями болтов в поперечном направлении:

(4.7)

В 3 = 366 + 2 * 22 = 410 мм.

Расстояние между осями болтов в продольном направлении:

L 3 = L2 + 2d (4.8)

L 3 = 1239 + 22•2 = 1283 мм.

Наружный размер трубной решетки и крышки в поперечном направлении:

(4.9)

В 4 = 410 + 2 * 22=454 мм.

Наружный размер трубной решетки и крышки в продольном направлении:

L 4 = L3 + 2d (4.10)

L 4 = 1283 + 2*22 = 1327 мм.

Высоту камеры принять равной одной трети наружного размера трубной решетки:

(4.11)

мм.

Также для расчета понадобятся:

  • расчетное давление P=0,2 МПа;
  • пробное давление.

(4.12)

  • расчетная температура t=130 С;
  • допускаемое напряжение для материала крышки [] k , МПа (выбираем 20Л []k =137,367МПа.);
  • допускаемое напряжение для материала решетки [] p , МПа (выбираем 09Г2С []р =173,4 МПа.).

Таким образом:

МП;

  • МПа.

Выбираем минимальное значение МПа.

  • коэффициент прочности сварного шва = 1;
  • прибавка для компенсации коррозии и эрозии С 1 = 2 мм.;
  • прибавка для компенсации минусового допуска С 2 (принять по 18 квалитету): С2 =0,1 мм.;
  • прибавка технологическая С 3 = 0;
  • сумма прибавок к расчетным толщинам стенок, мм.:

С = С 1 + С2 + С3 (4.13)

С = 2 + 0,1 + 0 = 2,1 мм.

4.2 Определение расчетного болтового усилия и проверка на прочность болтов

Расчетное усилие в болтах в условиях эксплуатации определяется:

(4.14)

Где:

m — прокладочный коэффициент, для прокладки из паронита m = 2,5.

Расчетное усилие в болтах в условиях испытания или монтажа определяется из условия:

(4.15)

Где:

р — коэффициент податливости фланцевого соединения крышки и решетки, р = 2.

Расчетная ширина плоской прокладки определяется по условию:

(4.16)

мм.

Расчетный размер решетки в продольном направлении определяется по

формуле:

L p = L2 — bpR (4.17)

L p = 1239 — 20 = 1220 мм.

Расчетный размер решетки в поперечном направлении определяется по

формуле:

B p = B2 — bpR (4.18)

В р = 366 — 20 = 346 мм.

МПа/м 2 .

Определим требуемое количество болтов из условия прочности болтов:

(4.19)

Количество болтов необходимых для прочности определяют по формуле выше.

Исходя из условия большей необходимой площади при макс. нагрузке:

(4.20)

Из условия прочности требуется установить не менее 8 болтов.

4.3 Расчет трубной решетки

Толщина трубной решетки в пределах зоны перфорации должна отвечать условию:

(4.21)

Расчетная ширина перфорированной зоны решетки:

(4.22)

Коэффициент ослабления решетки:

(4.23)

Где:

d E = d0 — 2Мsт

  • для решеток с трубами, закрепленными на всю толщину решетки, где d 0 — диаметр отверстий в решетке, sт — толщина стенки трубы.

(4.24)

Безразмерная характеристика решетки под давлением, действующим на ее не трубную зону:

(4.25)

Коэффициент несущей способности трубного пучка принять равным 1,0.

Относительная ширина края:

(4.26)

Толщины трубной решетки в месте уплотнения s 2 и вне зоны уплотнения s3 должны отвечать условиям:

(4.27)

(4.28)

Расчетное усилие F 1 определяется по формуле:

(4.29)

Заключение

В ходе данного курсового проекта была изучена конструкция и метод расчета аппарата воздушного охлаждения зигзагообразного типа. Аппарат предназначен для охлаждения и конденсации газообразных, парообразных и жидких сред в технологических процессах нефтеперерабатывающей, нефтехимической и смежных отраслях промышленности. Технологический расчет АВО включает в себя тепловой и гидравлический расчеты, в результате которых были определены необходимая поверхность теплообмена, основные размеры аппарата, расход воздуха, потери напора воздуха, проходящего через пучок оребренных труб.

В результате расчета был подобран АВО горизонтального типа с длиной труб 4 метров. Применение таких аппаратов дает ряд эксплуатационных преимуществ, из которых главнейшими являются: простота конструкции, облегчающая монтаж и обслуживание аппаратов. Кроме того, в аппаратах горизонтального типа полностью используется подъемная сила нагретого воздуха, что очень эффективно при работе в режиме естественной конвекции. Недостатком аппаратов этого типа является значительная занимаемая площадь.

Список использованной литературы

[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/kursovoy/apparatyi-vozdushnogo-ohlajdeniya/

технологический охлаждение конденсатор

1. ГОСТ Р51364-99 (ИСО 6758-80) Аппараты воздушного охлаждения. Общие технические условия.

2. ГОСТ 25822. Сосуды и аппараты. Аппараты воздушного охлаждения. Нормы и методы расчета на прочность.

3. ГОСТ 14249. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность.

4. ГОСТ 15150-69 Машины, приборы и другие технические изделия. Исполнения для различных климатических районов. Категории, условия эксплуатации, хранения и транспортирования в части воздействия климатических факторов внешней среды.

5. Шарафиев Р.Г. Оборудование нефтегазоперерабатывающих и нефтегазохи-мических производств: Учеб. пособие для вузов. / Р.Г. Шарафиев, Хайрудинова, Р.Г. Ризванов. УГНТУ.- Уфа: Изд-во УГНТУ, 2002. — 288 с.