Тепловой и гидравлический расчет теплообменных аппаратов

Тепловой и гидравлический расчет теплообменных аппаратов

КУРСОВАЯ РАБОТА

ПО ТЕПЛОТЕХНИКЕ

«Тепловой и гидравлический расчет теплообменных аппаратов»

Москва 2015

Содержание

Введение

. Исходные данные

. Теплофизические свойства теплоносителей

. Мощность теплообменного аппарата

. Средняя разность температур

. Предварительное определение водного эквивалента поверхности нагрева и размеров аппарата

. Конструктивные характеристики теплообменного аппарата

. Расчет коэффициентов теплоотдачи от горячего теплоносителя к стенке α1 и от стенки к холодному теплоносителю α2

. Коэффициент теплопередачи и расчетная площадь поверхности нагрева

. Расчет падения давления теплоносителей в трубном пространстве ТА

. Графическая часть курсовой работы

Выводы

Список использованной литературы

Введение

Теплообменный аппарат - это устройство, в котором осуществляется передача теплоты от горячего теплоносителя холодному (нагреваемому). Теплоносителями могут быть газы, пары, жидкости. В зависимости от назначения теплообменные аппараты используют как нагреватели и как охладители.

Теплообменники широко применяют в различных технологических процессах в нефтедобывающей, газовой, нефтеперерабатывающей и химической промышленности, при транспорте и хранении нефти, нефтепродуктов и газа и в других отраслях народного хозяйства.

По способу передачи теплоты теплообменники подразделяют на рекуперативные, регенеративные и смесительные.

В рекуперативных теплообменниках (рис. 1) каналы, по которым движутся горячий (1) и холодный (2) теплоносители, разделены и теплота (Q) передается через разделяющую их стенку [5].

Рис.1. Схема рекуперативного теплообменника

теплоноситель поверхность нагрев температура

В регенеративных теплообменных аппаратах (рис. 2) горячая и холодная среды омывают одну и ту же поверхность теплопередачи последовательно: сначала омывает горячая жидкость, отдавая ей теплоту, а затем ту же поверхность омывает холодная жидкость, которая от нее и нагревается. Примером таких теплообменников могут служить вращающиеся воздухоподогреватели.

Рис.2. Схема регенеративного теплообменника

В рекуперативных и регенеративных теплообменных аппаратах в процессе теплообмена участвует поверхность теплопередачи, поэтому эти аппараты называются поверхностными.

В смесительных теплообменниках процесс теплопередачи происходит при перемешивании теплоносителей, поэтому эти теплообменники называют также контактными.

Если после теплопередачи требуется разделение теплоносителей, то одним из них должен быть газ, а другим жидкость, или две жидкости, имеющие разные плотности. Смесительный процесс теплопередачи осуществляется, например, в градирнях, где горячая вода охлаждается окружающим воздухом.

Рис. 3. Схема смесительного теплообменника

Наиболее широко распространены в настоящее время кожухотрубные теплообменники [5].

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

Различают следующие типы кожухотрубных теплообменных 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.

Кожухотрубные теплообменные аппараты с неподвижными трубными решетками отличаются простотой конструкции и, следовательно, меньшей стоимостью (рис.4). Применяются если максимальная разность температур теплоносителей не превышает 80˚С, и при сравнительно небольшой длине аппарата.

Рис. 4. Кожухотрубный теплообменник с неподвижными трубными решетками: 1 - распределительная камера; 2 - кожух; 5 - теплообменная труба; 4 - поперечная перегородка; 5 - трубная решетка; б - крышка кожуха; 7 - опора [6]

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 теплообменного аппарата с помощью дистанционных трубок устанавливаются перегородки. Перегородки поддерживают трубы от провисания и организуют поток теплоносителя в межтрубном пространстве, интенсифицируя теплообмен. К кожуху теплообменного аппарата привариваются штуцеры для входа и выхода теплоносителя из межтрубного пространства. К кожуху теплообменного аппарата с помощью фланцевого соединения крепятся распределительная камера и задняя крышка со штуцерами для входа и выхода продукта из трубного пространства.

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

В зависимости от числа перегородок в распределительной камере и задней крышке кожухотрубные теплообменные аппараты делятся на одноходовые, двухходовые и многоходовые в трубном пространстве.

В зависимости от числа продольных перегородок, установленных в межтрубном пространстве, кожухотрубные теплообменники делятся на одно- и многоходовые в межтрубном пространстве.

Для частичной компенсации температурных напряжений в кожухе и в теплообменных трубах используются специальные гибкие элементы (расширители, компенсаторы), установленные на кожухе аппарата. Такие теплообменники называются теплообменными аппаратами с температурным компенсатором на кожухе.

Кожухотрубные теплообменные аппараты с плавающей головкой (с подвижной трубной решеткой) являются наиболее распространенным типом кожухотрубных теплообменников (рис.5). Подвижная трубная решетка позволяет трубному пучку свободно перемещаться независимо от корпуса, что значительно снижает температурные напряжения как в кожухе, так и в теплообменных трубах [1].

Рис. 5. Кожухотрубный 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 [6]

Теплообменные аппараты данного типа выполняются с двумя или четырьмя ходами по трубному пространству.

Аппараты с плавающей головкой чаще всего выполняются одноходовыми по межтрубному пространству. В аппаратах с двумя ходами по межтрубному пространству устанавливается продольная перегородка.

Кожухотрубные теплообменники с U-образными трубами (рис.6) имеют одну трубную решетку, в которую завальцованы оба конца U-образных теплообменных труб. Отсутствие других жестких связей теплообменных U-образных труб с кожухом обеспечивает свободное удлинение труб при изменении их температуры.

Рис. 6. Кожухотрубный 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 [6]

1. Исходные данные

Горячий теплоноситель: масло АМГ.

Параметры теплоносителя: .

Холодный теплоноситель: вода.

Параметры теплоносителя:

Расход теплоносителя  необходимо найти.

2. Теплофизические свойства теплоносителей

(

Найдем среднюю температуру теплоносителей.

При этих температурах определим теплофизические свойства [4]:

Масло АМГ:

Вода:

3. Мощность теплообменного аппарата

Η - коэффициент, учитывающий тепловые потери в окружающую среду (от 0,95 до 0,98). Приняли η=0,97.

Q = =;

Рассчитаем массовый расход масла:

4. Средняя разность температур

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

Рисунок 7. График изменения температуры теплоносителей при прямотоке (а) и противотоке (б)

Уравнение Грасгофа:

;

5. Предварительное определение водного эквивалента поверхности нагрева и размеров аппарата

Определим коэффициент теплопередачи от горячего к холодному теплоносителю [1]:

В соответствии с рекомендациями [1], определяем, что целесообразно водe двигаться в межтрубном пространстве, а маслу - в трубном.

Поскольку конденсация пленочная, значение коэффициента  согласно таблице [1]: . Выберем среднее значение: .

Для масла: . Примем .

Термические сопротивления загрязнений:

;

.

В качестве материала стенки толщиной 2 мм в условиях среды, вызывающей слабое коррозионное воздействие, выберем углеродистую сталь 20 (в соответствии с рекомендациями [3]).

Воспользовавшись данными таблицы [1], получим:

.

Тогда окончательно коэффициент теплопередачи:

.

Определим расчетную площадь поверхности теплообмена:

Водяной эквивалент:

Найдем площади проходных сечений трубного  и межтрубного  пространства:

;.

Пользуясь данными таблицы [1], определяем:

6. Конструктивные характеристики теплообменного аппарата

В соответствии с данными таблицы [1], выбираем стандартный теплообменный аппарат.

Выбираем конденсатор с неподвижными трубными решетками и температурным компенсатором на кожухе диаметром 800 мм повышенной тепловой эффективности согласно ТУ 26-02-1090-88 [2].

Таблица 1

. Расчет коэффициентов теплоотдачи от горячего теплоносителя к стенке α1 и от стенки к холодному теплоносителю α2

Коэффициент теплоотдачи в трубном пространстве:

Re, Pr, Gr - числа подобия теплоносителя, движущегося в теплообменных трубах ТА, при средней арифметической температуре потока; _c - число Прандтля теплоносителя, движущегося в теплообменных трубах ТА, при средней температуре стенки трубы;

λ_тр - коэффициент теплопроводности теплоносителя, движущегося в теплообменных трубах ТА.

Средняя скорость теплоносителя в трубе:

Число Рейнольдса:

=> Переходный Режим

По таблице выбираем значения коэффициентов:

С=7,5 j=0; y=0,43; i=0; Pr_c=40 (при С)

Коэффициент теплоотдачи в межтрубном пространстве:

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

по значению Re выбираем значения коэффициентов, потому 40<Re<10³

=>C =0,671 ; С₁ = 0,71; С_Z =1 (Z_n =8 ); m = 0,5; n = 0,36. _С = 1,75 (при =112С).

 Вт/(м²∙К)

8. Коэффициент теплопередачи и расчетная площадь поверхности нагрева

Коэффициент теплопередачи от горячего к холодному теплоносителю определяется по соотношению:

где ,  - коэффициенты теплоотдачи в трубном и межтрубном пространстве;

и  - термические сопротивления на внутренней и наружной поверхности теплообменных труб;

 - толщина стенки теплообменных труб кожухотрубных ТА (м);

 - коэффициент теплопроводности стенки теплообменных труб.

Примем:

м^2.К/Вт - масло амг

 = 48,1 Вт/(м^.К) - коэффициент теплопроводности Ст40;

 м²К/Вт.

По значениям этих характеристик с учетом схемы движения теплоносителей из графиков (приложение 1)определяется =0,85- коэффициент, учитывающий различие между средней логарифмической разностью температур между теплоносителями для противоточной схемы движения и действительной средней разностью температур .

Водяной эквивалент: kF= 56,88х38=2161

Характеристическая разность температур

 - средняя арифметическая разность температур между теплосителями в теплообменном аппарате.

Погрешности:

-подходит.

Относительное расхождение не превышает 5-8%. Значит, выбор кожухотрубного аппарата можно считать приемлемым.

Рассчитаем падения давления горячего и холодного теплоносителей в ТА.

9. Расчет падения давления теплоносителей в трубном пространстве ТА

ΔP_п.тр - падение давления, обусловленное потерями на трение;

ΔP_м.с. - падение давления, обусловленное местными сопротивлениями;

ΔP_нив - падение давления, обусловленное изменением центра тяжести потока;

ΔP_уск - падение давления, обусловленное ускорением потока теплоносителя.

Re>2300 →

 - коэффициенты местных сопротивлений на входе и выходе из трубного пространства;

 - коэффициент местных сопротивлений в промежуточной камере при переходе потока из одной секции трубного пространства в другое (поворот потока на 180˚).

При использовании горизонтального ТА ΔP_нив=0.

При незначительном изменении плотности теплоносителя ΔP_уск=0

Δp_тр=3761+1166=4927 Па.

Расчет падения давления теплоносителей 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=396,25 → b₁=4,57; b₂=-0,476; b₃=7; b₄=0,5;

Шаг труб в трубном пучке t=32·10^-3 м. Число рядов труб, омываемых поперечным потоком Z_n=8. Число сегментных перегородок N_пер=4.

В итоге:

Поправочный коэффициент x₁ - учитывает влияние на падение давления теплоносителя межтрубном пространстве потоков, проходящих в зазорах между трубами, отверстиями в перегородках, между кожухом и сегментными перегородками.

;

Определяющие параметры конструкции

Поправочный коэффициент x₂ - учитывает байпасные потоки.

_.

;  - коэффициенты местных сопротивлений на входе и выходе из межтрубного пространства.

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

Эффективные мощности привода насосов:

Где:  η_oi - относительный внутренний к.п.д. перекачивающих устройств;

η_м - механический к.п.д. перекачивающих устройств.

Коэффициент энергетической эффективности:

Проверочный тепловой расчет с использованием функции эффективности

Функция эффективности ТА по трубному пространству определяет долю перепада температуры по трубному пространству к наибольшей разности температур на входе в аппарат:

Функция эффективности ТА по межтрубному пространству определяет долю перепада температуры по межтрубному пространству к наибольшей разности температур на входе в аппарат:

Эффективность аппарата по трубному и межтрубному пространству связаны между собой:

Отношение водяных эквивалентов теплоносителей:

Максимальный температурный напор в аппарате:

Степень передачи тепла по трубному пространству:

Степень передачи тепла по межтрубному пространству:

Также функцию эффективности можно найти по формуле:

Перепады температуры по трубному и межтрубному пространству:

Определим действительные конечные температуры горячего и холодного теплоносителей:

Относительные расхождения между действительными (,) и заданными (_,) температурами горячего и холодного теплоносителей на выходе из ТА:

Не превышают 5-8%. Это означает, выбранный кожухотрубный ТА из стандартных является приемлемым.

10. Графическая часть курсовой работы

Температурная диаграмма теплоносителей для выбранного кожухотрубного теплообменного аппарата.

Рисунок 8. Схема теплообменного аппарата

Выводы

В данной курсовой работе были произведены расчет и выбор конструкции кожухотрубного теплообменного аппарата. Проведены конструктивный тепловой расчет, поверочный тепловой расчет.

При конструктивном тепловом расчете при известных виде, температурах и расходах теплоносителей определены тепловая мощность и площадь поверхности теплообменного аппарата, произведен выбор стандартного аппарата.

При поверочном тепловом расчете по известным параметрам стандартного ТА, видам, расходам и температурам теплоносителей определены мощность ТА и температуры теплоносителей на выходе из аппарата.

В результате гидравлического расчета ТА определены падения давления теплоносителей в межтрубном и трубном пространствах ТА, а также мощности энергопривода насосов или компрессоров, используемых для прокачивания теплоносителей через теплообменный аппарат.

Количество проведенных вычислений и их громоздкость (поскольку при расчете используется большое число формул с эмпирическими коэффициентами) однозначно свидетельствуют о необходимости использования современной вычислительной техники при выполнении данной работы. Это позволяет значительно увеличить как скорость, так и точность выполнения работы. При этом стоит помнить, что вне зависимости от точности вычислений выполненные расчеты, как и большинство инженерных расчетов, являются приблизительными, поэтому при выборе реального теплообменного аппарата следует учитывать инженерный опыт или проверять стандартные методы расчета при помощи программ вычислительной гидродинамики (такими, как SolidWorks Flow Simulation, Autodesk Simulation CFD и ANSYS CFX).

Список использованной литературы

1.       Калинин А.Ф. Расчет и выбор конструкции кожухотрубного теплообменного аппарата: Методические указания по курсовому проектированию. - 2-е издание, переработанное и дополненное. - М.: РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2002

2.      Калинин А.Ф. Расчет и выбор конструкции кожухотрубного конденсатора. - М.: РГУНГ, 2002

.        Маньковский О.Н., Толчинский А.Р. Теплообменная аппаратура химических производств. Л., «Химия», 1976.

.        Трошин А.К., Купцов С.М., Калинин А.Ф. Термодинамические и теплофизические свойства рабочих тел теплоэнергетических установок. МПА-Пресс, М., 2006.

.        Поршаков Б.П., Романов Б.А. Основы термодинамики и теплотехники. 2-е изд., переработ. и доп. - М.: Недра, 1988. - 300 с.

.        Скобло А.И., Молоканов Ю.К., Владимиров А.И., Щелкунов В.А. Процессы и аппараты нефтегазопереработки и нефтехимии: Учебник для вузов, - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2000. - 677с.

.        Головачев В.Л., Марголин Г.А., Пугач В.В.Промышленная кожухотрубная теплообменная аппаратура. Справочник-каталог. ИНТЭК ЛТД, 1992.