Тепловой и гидравлический расчет теплообменных аппаратов

Тепловой и гидравлический расчет теплообменных аппаратов

Введение

Классификация теплообменных аппаратов.

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.

Кожухотрубные теплообменники относятся к поверхностным теплообменным аппаратам рекуперативного типа. Широкое распространение этих аппаратов обусловлено прежде всего надежность конструкции и большим набором вариантов исполнения для различных условий эксплуатации.

Различают следующие типы кожухотрубных аппаратов:

Теплообменные аппараты с неподвижными трубными решетками (жесткотрубные ТА);

Теплообменные аппараты с неподвижными трубными решетками и с линзовым компенсатором на кожухе;

Теплообменные аппараты с плавающей головкой;

Теплообменные аппараты с U-образными трубами.

Кожухотрубный ТА представляет из себя пучок теплообменных труб, находящихся в цилиндрическом корпусе (кожухе). Один из теплоносителей движется внутри теплообменных труб, а другой омывает наружную поверхность труб. Концы труб закрепляются с помощью вальцовки, сварки или пайки в трубных решетках. В кожух ТА с помощью дистанционных трубок устанавливаются перегородки. Перегородки поддерживают трубы от провисания и организуют поток теплоносителя в межтрубном пространстве, интенсифицируя теплообмен. К кожуху ТА привариваются штуцера для входа и выхода теплоносителя из межтрубного пространства. На входе теплоносителя в межтрубное пространство в ряде случаев устанавливаются отбойники, необходимые для уменьшения вибрации пучка, равномерного распределения потока теплоносителя в межтрубном пространстве и снижения эрозии ближайших к входному штуцеру труб. К кожуху ТА с помощью фланцевого соединения крепятся распределительная камера и задняя крышка со штуцером для входа и выхода продукта из трубного пространства.

Конструктивный тепловой расчет

Определение неизвестного массового расхода нефти G2 и параметров теплоносителей.

Дано:

 - средняя температура теплоносителей. р1. = = 125,5º C

tср 2. = = 55,5º С

Выписываем теплофизические свойства при tср:

Находим мощность теплообменного аппарата Q,Вт, по исходным данным:

- коэффициент, учитывающий потери тепла в окр. среду.

Направляем нефть в трубное пространство, а керосин в межтрубное.

Находим среднюю разность температур между теплоносителями  по уравнению Грасгофа:

Рассчитываем оптимальный диапазон площадей проходных сечений трубного  и межтрубного  пространства и минимального индекса противоточности Рmin ТА:

;  

где и  максимальная и минимальная рекомендуемые скорости потоков теплоносителей: м/c и м/c

Выбираем противоток

 ,

где  и  коэффициенты теплоотдачи в трубном и межтрубном пространстве. Принимаем = 1200  для нефти и =1500 для керосина -пренебрегаем.

Определим расчетную площадь поверхности теплообмена:

Предварительный выбор теплообменного аппарата по каталогу

а) Выбираем теплообменник с неподвижными трубчатыми решетками.

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

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

Конструктивные характеристики выбранного аппарата.

Диаметр кожуха , мм

Наружный

Внутренний630

Расчет коэффициентов теплоотдачи от горячего теплоносителя к стенке α1 и от стенки к холодному теплоносителю α2 , термических сопротивлений стенки трубы и загрязнений .

Рассчитаем  и .

где Re, Pr - числа подобия теплоносителя, движущегося в трубах ТА, при среднеарифметической температуре потока. Prc - число Прандтля теплоносителя, движущегося в теплообменных трубах ТА при средней температуре стенки труб.

 - коэффициент теплопроводности теплоносителя, движущегося в трубах ТА.  и  - наружный диаметр и толщина стенки теплообменных труб.

Средняя скорость теплоносителя в трубном пространстве:

Число Рейнольдса:

Вязкостно-гравитационное движение

Из таблицы определяем следующие константы:

=0,15; j=0,33; y=0,43; i=0,1;

Определим воды 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:=0,6; n=0,36; C1=0,36

Из таблицы 2-7: C=0,731; Cz=0,843.

Рассчитаем

Уточняем k:

Уточняем Fрасч.:

;

Окончательный выбор теплообменника:

Диаметр кожуха , мм

Наружный

Внутренний630

Площадь поверхности теплообменника равна 49 м2, Длина трубы l = 3 м.

Расчет второго рода

Проверочный тепловой расчет теплообменного аппарата.

Определяем фактическую тепловую мощность выбранного аппарата:

Вычислим приведенный водяной эквивалент :

По приложению 1, рисунок 1-3 выбираем , для PS = 0,47 и = 0,71

Рис. 1

Таким образом Р = 1

Итак, тепловая мощность равна:

Определим действительные температуры теплоносителей на выходе теплообменного аппарата:

Вычислим погрешности найденных температур:

Вычислим погрешность тепловой мощности:

Графическая часть

шестиходовой кожухотрубчатый теплообменник

Рис. 2 - Шестиходовой кожухотрубчатый теплообменник с неподвижными трубными решетками: 1 - распределительная камера; 2 - кожух; 3 - теплообменная труба; 4 - поперечная перегородка; 5 - трубная решетка; 6 - задняя крышка кожуха;7 - опора; 8 - дистанционная трубка; 9 - штуцеры; 10 - перегородка в распределительной камере; 11 - отбойник

Литература

1.   А.Ф. Калинин Расчет и выбор конструкции кожухотрубного теплообменного аппарата - Москва 2002.

2.      А.К. Трошин Теплоноситель тепло- и массообменных аппаратов и их теплофизические свойства - Москва 1984.