Конструктивная схема теплообменного аппарата

Содержание

Введение

1. Термодинамические процессы с идеальными углеводородными смесями

1.1 Исходные данные для термодинамических расчетов

1.2 Определение параметров газовой смеси одинаковых для всех термодинамических процессов

1.3 Политропный процесс с показателем политропы

1.4 Политропный процесс с показателем политропы

1.5 Политропный процесс с показателем политропы

1.6 Политропный процесс с показателем политропы

1.7 Политропный процесс с показателем политропы

1.8 Политропный процесс с показателем политропы

Выводы

2. Расчет теплообменного аппарата

2.1 Исходные данные

2.2 Расчет коэффициента теплоотдачи

2.3 Конструктивный тепловой расчет теплообменного аппарата

2.4 Рекуперативный теплообменник с трубчатой поверхностью теплообмена (прямоток)

Выводы

Введение

В термодинамике рассматриваются обратимые процессы. Все реальные процессы необратимы, они протекают с конечной скоростью (при наличии трения и диффузии) и при значительной разности температур РТ и источников теплоты.

Термодинамическим процессом называется изменение состояния термодинамической системы, характеризующееся изменением ее параметров. В качестве термодинамических систем могут рассматриваться некоторые объемы газов.

В основных технологических установках и устройствах нефтяной и газовой промышленности наиболее часто встречающимися газами являются углеводородные или их смеси с компонентами воздуха и небольшим количеством примесей других газов. Это могут быть процессы в газгольдерах, пропан-бутановых хранилищах, сырьевых и товарных парков нефтеперерабатывающих заводов, нефтебаз, нефтеперекачивающих станций, а также в газораспределительных сетях газоснабжения населенных пунктов.

Целью термодинамического расчета является определение основных параметров газовой смеси в конечном состоянии

Теплообменным аппаратом (теплообменником) называется устройство, в котором осуществляется теплообмен между двумя или несколькими теплоносителями.

В рекуперативных теплообменниках теплоносители непрерывно омывают разделяющую стенку (поверхность теплообмена) с двух сторон и обмениваются при этом теплотой. В рекуперативном трубчатом теплообменнике один из теплоносителей протекает внутри труб, а второй омывает их наружные поверхности.

Цель конструктивного расчета состоит в определении величины поверхности теплообмена по известному количеству передаваемой теплоты и температурам теплоносителей на входе и выходе аппарата.

1. Термодинамические процессы с идеальными углеводородными смесями

1.1 Исходные данные для термодинамических расчетов

1 кг газовой смеси в распределительной газовой сети в зависимости от состава совершает термодинамические процессы от состояния 1 до состояния 2 с показателями .

Объем газовой смеси во всех процессах изменяется в  раз.

Смесь обладает свойствами идеального газа.

Начальное (в состоянии 1) давление . Начальная температура .

Определить основные параметры газовой смеси в состоянии 1 () и состоянии 2 (), изменение внутренней энергии, энтальпии, энтропии смеси, работу, внешнюю теплоту процесса, коэффициент распределения энергии в процессах.

Состав газовой смеси по объему:

Все расчеты были выполнены в соответствии с методическими указаниями [1].

1.2 Определение параметров газовой смеси одинаковых для всех термодинамических процессов

1.2.1 Определение кажущейся молекулярной массы смеси

1.2.2 Массовые доли смеси

1.2.3 Газовая постоянная смеси

1.2.4 Объем газовой смеси в начальном состоянии

1.2.5 Объем газовой смеси в конечном состоянии

1.3 Политропный процесс с показателем политропы

1.3.1 Давление газовой смеси в конечном состоянии

1.3.2 Температура газовой смеси в конечном состоянии

1.3.3 Средняя температура процесса

1.3.4 Средняя изобарная теплоёмкость компонентов газовой смеси

1.3.5 Средняя массовая изобарная теплоёмкость газовой смеси

1.3.6 Средняя массовая изохорная теплоёмкость газовой смеси

1.3.7 Термодинамическая работа процесса

1.3.8 Потенциальная работа процесса

1.3.9 Изменение внутренней энергии

1.3.10 Изменение энтальпии

1.3.11 Изменение энтропии

1.3.12 Теплота процесса

1.3.13 Коэффициент распределения энергии

1.3.14 Проверка правильности расчетов

1.4 Политропный процесс с показателем политропы

1.4.1 Давление газовой смеси в конечном состоянии

1.4.2 Температура газовой смеси в конечном состоянии

1.4.3 Средняя температура процесса

1.4.4 Средняя изобарная теплоёмкость компонентов газовой смеси

1.4.5 Средняя массовая изобарная теплоёмкость газовой смеси

1.4.6 Средняя массовая изохорная теплоёмкость газовой смеси

1.4.7 Показатель адиабаты

1.4.8 Термодинамическая работа процесса

1.4.9 Потенциальная работа процесса

1.4.10 Изменение внутренней энергии

1.4.11 Изменение энтальпии

1.4.12 Политропная теплоёмкость

1.4.13 Теплота процесса

1.4.14 Изменение энтропии

1.4.15 Коэффициент распределения энергии

1.4.16 Проверка правильности расчетов

1.5 Политропный процесс с показателем политропы

1.5.1 Давление газовой смеси в конечном состоянии

1.5.2 Температура газовой смеси в конечном состоянии

1.5.3 Средняя температура процесса

1.5.4 Средняя изобарная теплоёмкость компонентов газовой смеси

1.5.5 Средняя массовая изобарная теплоёмкость газовой смеси

1.5.6 Средняя массовая изохорная теплоёмкость газовой смеси

1.5.7 Термодинамическая работа процесса

1.5.8 Потенциальная работа процесса

,

1.5.9 Изменение внутренней энергии

1.5.10 Изменение энтальпии

1.5.11 Изменение энтропии

1.5.12 Теплота процесса

1.5.13 Коэффициент распределения энергии

1.5.14 Проверка правильности расчетов

1.6 Политропный процесс с показателем политропы

1.6.1 Давление газовой смеси в конечном состоянии

1.6.2 Температура газовой смеси в конечном состоянии

1.6.3 Средняя температура процесса

1.6.4 Средняя изобарная теплоёмкость компонентов газовой смеси

1.6.5 Средняя массовая изобарная теплоёмкость газовой смеси

1.6.6 Средняя массовая изохорная теплоёмкость газовой смеси

1.6.7 Показатель адиабаты

1.6.8 Термодинамическая работа процесса

1.6.9 Потенциальная работа процесса

1.6.10 Изменение внутренней энергии

1.6.11 Изменение энтальпии

1.6.12 Политропная теплоёмкость

1.6.13 Теплота процесса

1.6.14 Изменение энтропии

1.6.15 Коэффициент распределения энергии

1.6.16 Проверка правильности расчетов

1.7 Политропный процесс с показателем политропы

Принимаем k=1,29

1.7.1 Давление газовой смеси в конечном состоянии

1.7.2 Температура газовой смеси в конечном состоянии

1.7.3 Средняя температура процесса

1.7.4 Средняя изобарная теплоёмкость компонентов газовой смеси

1.7.5 Средняя массовая изобарная теплоёмкость газовой смеси

1.7.6 Средняя массовая изохорная теплоёмкость газовой смеси

1.7.7 Показатель адиабаты

,

1.7.8 Давление газовой смеси в конечном состоянии

1.7.9 Температура газовой смеси в конечном состоянии

1.7.10 Средняя температура процесса

1.7.11 Средняя изобарная теплоёмкость компонентов газовой смеси

1.7.12 Средняя массовая изобарная теплоёмкость газовой смеси

1.7.13 Средняя массовая изохорная теплоёмкость газовой смеси

1.7.14 Термодинамическая работа процесса

1.7.15 Потенциальная работа процесса

,

1.7.16 Изменение внутренней энергии

1.7.17 Изменение энтальпии

1.7.19 Изменение энтропии

1.7.20 Коэффициент распределения энергии

1.7.21 Проверка правильности расчетов

1.8 Политропный процесс с показателем политропы

1.8.1 Давление газовой смеси в конечном состоянии

1.8.2 Температура газовой смеси в конечном состоянии

1.8.3 Средняя температура процесса

1.8.4 Средняя изобарная теплоёмкость компонентов газовой смеси

1.8.5 Средняя массовая изобарная теплоёмкость газовой смеси

1.8.6 Средняя массовая изохорная теплоёмкость газовой смеси

1.8.7 Показатель адиабаты

1.8.8 Термодинамическая работа процесса

1.8.9 Потенциальная работа процесса

1.8.10 Изменение внутренней энергии

1.8.11 Изменение энтальпии

1.8.12 Политропная теплоёмкость

1.8.13 Теплота процесса

1.8.14 Изменение энтропии

1.8.15 Коэффициент распределения энергии

1.8.16 Проверка правильности расчетов

Рисунок 1.1 - PV-диаграмма полиропных процессов

Рисунок 1.2 - TS-диаграмма политропных процессов

Выводы

Проведенное исследование позволяет разбить все политропные процессы с  от  до  при расширении газа на три группы:

I группа: . В этой группе , а следовательно,  и ; здесь , а следовательно, . Так как , то теплоемкость в этой группе процессов положительна. Подведенная к газу теплота расходуется на увеличение внутренней энергии и на совершение им работы расширения;

II группа: . Для этой группы , а следовательно,  и ;  и, следовательно, ; теплоемкость в процессах отрицательная, так как . Термодинамические процессы второй группы характерны тем, что работа расширения совершается как за счет подведенной к газу теплоты, так и за счет внутренней энергии;

III группа: . Здесь при расширении газа все параметры состояния уменьшаются (), но теплоемкость , т.е. положительная. В процессах этой группы расширение газа происходит с уменьшением его внутренней энергии и отдачей теплоты в окружающую среду.

2. Расчет теплообменного аппарата

2.1 Исходные данные

В одноходовом кожухотрубном теплообменном аппарате горячий теплоноситель движется в межтрубном пространстве и охлаждается от температуры 140, ˚С до 57, ˚С.

Внутренний диаметр кожуха аппарата . Холодный теплоноситель движется внутри металлических трубок. Холодный теплоноситель нагревается от ,˚С до , ˚С.

Число трубок в теплообменнике n = 49. Трубки теплообменника с внутренней стороны покрыты отложениями (накипью) толщиной δнак=0,4·10-3, м. Тепловая мощность, вносимая в ТОА, Qвн =420, кВт. Потери теплоты в окружающую среду составляют (1 - 0,96) ·100, %.

Определить поверхность нагрева F и число секций N теплообменника. Длина секции lc = 5 м.

Расчет провести для прямоточного и противоточного направлений движения теплоносителей, а также при наличии накипи на трубах и при её отсутствии.

Известно также:

холодный теплоноситель - вода;

горячий теплоноситель - вода;

λс = 105·10-3 кВт/ (м·К);

λнак = 0,5·10-3 кВт/ (м·К).

Внутренний диаметр трубок

Наружный диаметр трубок

Все расчеты были выполнены в соответствии с методическими указаниями [2].

2.2 Расчет коэффициента теплоотдачи

2.2.1 Средняя температура теплоносителей

2.2.2 Скорость теплоносителей

2.2.3 Числа Рейнольдса

режим течения холодного теплоносителя - переходной

режим течения холодного теплоносителя - переходной

2.2.4 Температура стенки

2.2.5 Числа Прандтля

При    

.

При    

.

При    

.

При     

.

2.2.6 Коэффициент

2.2.7 Число Грасгофа

Так как режим движения жидкости переходный, следовательно число Грасгофа не считаем

2.2.8 Числа Нуссельта

При переходном течении (Reж,d = 2300…104)

2.2.9 Коэффициенты теплоотдачи

2.3 Конструктивный тепловой расчет теплообменного аппарата

2.3.1 Изменение температуры теплоносителей по длине аппарата

Рисунок 2.1 - Изменение температуры теплоносителей по длине прямоточного теплообменника

Рисунок 2.2 - Изменение температуры теплоносителей по длине противоточного теплообменника

2.3.2 Средний логарифмический температурный напор

2.3.3 Коэффициент теплопередачи

2.3.3.1 Коэффициент теплопередачи с учетом слоя накипи

2.3.3.2 Коэффициент теплопередачи без учета слоя накипи

2.3.4 Поверхность теплообмена

2.3.4.1 Поверхность теплообмена для прямоточного теплообменника с учетом слоя накипи

теплообменный аппарат термодинамический углеродный

2.3.4.2 Поверхность теплообмена для прямоточного теплообменника без учета слоя накипи

2.3.4.3 Поверхность теплообмена для противоточного теплообменника с учетом слоя накипи

2.3.4.4 Поверхность теплообмена для противоточного теплообменника без учета слоя накипи

2.3.5 Площадь поверхности трубок одной секции

2.3.6 Число секций теплообменника

2.3.6.1 Число секций прямоточного теплообменника с учетом слоя накипи

2.3.6.2 Число секций прямоточного теплообменника без учета слоя накипи

2.3.6.3 Число секций противоточного теплообменника с учетом слоя накипи

2.3.6.4 Число секций противоточного теплообменника без учета слоя накипи

Таблица 2 - Результаты теплового расчёта теплообменного аппарата

Коэффициент теплопередачи

при наличии накипи

при отсутствии накипи

,9

2.4 Рекуперативный теплообменник с трубчатой поверхностью теплообмена (прямоток)

Рисунок 2.3 - Эскиз секции с основными размерами

Рисунок 2.4 - Схема соединения секций в теплообменном аппарате

Выводы

Теплообменные аппараты могут иметь самое разнообразное назначение - паровые котлы, конденсаторы, пароперегреватели, воздухонагреватели, радиаторы и т.д. Теплообменные аппараты в большинстве случаев значительно отличаются друг от друга как по своим формам и размерам, так и по применяемым в них рабочим телам.

Руководствуясь данным расчетом теплообменного аппарата можно произвести выбор типа аппарата и его конструктивные размеры. Также на основе результатов расчета можно составить конструктивную схему аппарата.