1061

Расчет и выбор конструкции кожухотрубного теплообменного аппарата

Курсовая

Производство и промышленные технологии

Тепловой расчет и выбор конструкции теплообменного аппарата. Устройство, передающее теплоту от одного теплоносителя к другому. Проверочный тепловой расчет теплообменного аппарата. Гидравлический расчет теплообменного аппарата. Расчет падения давления теплоносителей в трубном и межтрубном пространстве ТА.

Русский

2012-12-08

267 KB

111 чел.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

КАМСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ИНЖЕНЕРНО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ

                                            Кафедра ТЭ и ГПА

Курсовая работа по дисциплине «Тепломассообмен»

«Расчет и выбор конструкции кожухотрубного теплообменного аппарата»

                                                         Выполнил: ст. гр. 2422

                                                         Чепурина Е.О.

                                                         Проверил: ст. преподаватель

                                                         Арсланов И.М.

Набережные Челны

2012

1 Оглавление

1 Оглавление 1

2 Исходные данные 3

3 Теоретическая часть 4

4 Расчетная часть 7

4.1 Тепловой расчет и выбор конструкции теплообменного аппарата 7

4.2 Проверочный тепловой расчет теплообменного аппарата 14

4.3 Гидравлический расчет теплообменного аппарата 16

5 Графическая часть курсовой работы 20

6 Список литературы 21


2 Исходные данные

Горячий теплоноситель: керосин –  основной поток.

Характеристики горячего теплоносителя:

Gг=3 кг/с;  tг,вх=90 ˚С;  tг,вых=60 ˚С

Холодный теплоноситель: бензин.

Характеристики холодного теплоносителя:

Gх=2 кг/с;  tх,вх=2 ˚С;  tх,вых= ? ˚С


3 Теоретическая часть

Теплообменным аппаратом называется устройство, передающее теплоту от одного теплоносителя к другому. Теплообменные аппараты широко применяются в нефтедобывающей, нефтеперерабатывающей и химической промышленности. Эффективная работа теплообменных аппаратов приводит к сокращению расхода топлива и улучшает технико-экономические показатели установок. Поэтому так важно уметь правильно рассчитывать теплообменные аппараты

Теплообменные аппараты классифицируются по различным признакам. По способу передачи теплоты все теплообменные аппараты разделяются на поверхностные и аппараты смешения. B поверхностных теплообменных аппаратах передача теплоты от одного теплоносителя к другому осуществляется c участием твердой стенки. B смесительных теплообменных аппаратах передача теплоты осуществляется при смешении теплоносителей.

Поверхностные теплообменные аппараты подразделяются на рекуперативные и регенеративные. B рекуперативных теплообменных аппаратах теплота от одного теплоносителя к другому передается через разделяющую их стенку (поверхность теплопередачи), при этом горячая и холодная сpеды одновременно c разных сторон омывают поверхность теплопередачи. B регенеративных теплообменных аппаратах теплоносители попеременно соприкасаются c одной и. той же поверхностью нагрева, которая в первый период нагревается, а во второй период  охлаждается, отдавая теплоту холодному теплоносителю.

B поверхностных теплообменных аппаратах горячий и холодный теплоносители могут двигаться различно. От схемы движения сред в прямой зависимости находится и теплообмен между ними, поэтому схемы движения жидкости еще называются схемами теплообмена. Наиболее простыми и распространенными схемами движения являются прямоток, противоток и перекрестный ток.

Наибольшее распространение получили в настоящее время кожухотрубные теплообменники. В большей степени используются теплообменные аппараты жесткой конструкции, теплообменники c компенсаторами температурных напряжений (c линзовыми компенсаторами на корпусе, c плавающей головкой), c U-образными трубками.

Кожухотрубный теплообменный аппарат представляет собой пучок теплообменных труб, находящихся в цилиндрическом корпусе (кожухе). Один из теплоносителей движется внутри теплообменных труб, а другой омывает наружную поверхность труб. Концы труб закрепляются в трубных решетках. В кожух теплообменного аппарата с помощью дистанционных трубок устанавливаются перегородки. Перегородки  поддерживают  тpyбы  от провисания и организуют поток теплоносителя в межтрубном пространстве, интенсифицируя теплообмен. На кожухе имеются штуцеры для входа и выхода теплоносителя из межтрубного пространства. K кожуху теплообменного аппарата c помощью фланцевого соединения крепятся распределительная камера и задняя крышка со штуцерами для входа и выхода продукта из трубного пространства.

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

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

Кожухотрубчатые теплообменники c U-образными трубками имеют одну трубную решетку, в которую завальцованы оба конца U-обрaзных теплообменных труб. Отсутствие других жестких связей теплообменных U-образных труб с кожухом обеспечивает свободное удлинение труб при изменении их температуры. Кроме того, преимущество теплообменников с U-образными трубками заключается в отсутствии разъемного соединения внутри кожуха, что позволяет успешно применять их при повышенных давлениях теплоносителей, движущихся в трубном пространстве. Недостатком таких аппаратов является трудность чистки внутренней и наружной поверхности труб, вследствие чего они используются преимущественно для чистых продуктов.

В инженерной практике при выборе теплообменного аппарата необходимо провести конструктивный и проверочный тепловые расчеты,  а также гидравлический расчет теплообменных аппаратов.

Конструктивный тепловой расчет проводится для того, чтобы выбрать теплообменный аппарат при их серийном производстве на заводах или спроектировать новый аппарат. В результате конструктивного расчета выбирается тип аппарата, его конструкция, схема течения теплоносителей, материал для изготовления отдельных элементов и определяется размер и масса теплообменного аппарата.

Проверочный тепловой расчет проводится с целью определить мощность теплообменного аппарата и конечные температуры теплоносителей, омывающих поверхность нагрева теплообменного аппарата, конструкция и площадь поверхности нагрева которого известны. Проверочный расчет обычно выполняется тогда, когда необходимо выяснить возможность использования уже установленного или проектируемого теплообменного аппарата в условиях, отличных от расчетных.

Гидравлический расчет теплообменного аппарата необходим для определения перепадов давлений теплоносителей и мощностей насосов и компрессоров, перекачивающих теплоносители. Скорости течения теплоносителей при этом выбираются такими, чтобы перепады давлений не превышали допустимых значений, указанных в проектном задании.


4 Расчетная часть

4.1 Тепловой расчет и выбор конструкции теплообменного аппарата

  1.  Определим температуру холодного теплоносителя на выходе из теплообменного аппарата.

Для этого воспользуемся формулами для вычисления тепловой мощности Q ТА :

η=0,95 (ТА ставится в наиболее трудные условия при расчете).

Подставим данные из табл.1 в данное уравнение, получим:

     (1)

Для нахождения сpmx и tх,вых  воспользуемся методом приближенных итераций. Будем подбирать tх,сp таким образом, чтобы найденные при tcp значения сpmx и tх,вых  при подстановке в уравнение (1) дали нам число в наибольшей степени приближенное к 96401,25.

          (2)

    (3)

Из (2) и(3) видно, что истинное tх,сp находится в интервале температур от 25oС до 25,2oС. Для нахождения истинных значений tх,сp , сpmx и tх,вых  воспользуемся программой, составленной в пакете Microsoft Excel:

t

t_vih

с_pmx

A

25

48

2085

95910

25,1112

48,2224

2085,566

96399,84

25,1113

48,2226

2085,571

96400,49

25,1114

48,2228

2085,576

96401,14

25,1115

48,223

2085,581

96401,79

25,1116

48,2232

2085,586

96402,44

25,2

48,4

2086

96790,4

Таким образом:

tх,сp=25,1114oC;

tх,вых =48,2228 oC;

сpmx=2085,576 Дж/(кг*К);

  1.  Определим теплофизические свойства горячего и холодного теплоносителя.

Керосин (при tг,сp=75oC)

Бензин (при tх,сp=25,1114oC)

ρ=784,5 кг/м3

ρ=746,911 кг/м3

сp=2255 Дж/(кг*К)

сp=2085,576 Дж/(кг*К)

λ=0,108 Вт/(м*К)

λ=0,1159 Вт/(м*К)

ν=0,911*10-6 м2

ν=0,6621*10-6 м2

β=8,55*10-4 К-1

β=10,9045*10-4 К-1

Pr=14,9

Pr=8,92575

  1.  Определим тепловую мощность теплообменного аппарата.

Так как мощность теплообменного аппарата рассчитанная по горячему и холодному теплоносителю практически равны, можно сказать что t[х,вых определена правильно.

  1.  Вычислим среднюю арифметическую разность температур между теплоносителями в теплообменном аппарате θm.

 θmL - средняя логарифмическая разность температур между теплоносителями; εt- коэффициент учитывающий различие между средней логарифмической разностью температур между теплоносителями для противоточной схемы движения θmL и действительной средней разностью температур θm

,     где ;     

Таким образом,

Для определения значения коэффициента   εt , определим значения характеристик  R и PS, и в зависимости от их значения по приложению 1, определим значение εt

     

 

  1.  Определим площади проходных сечений трубного fтр  и межтрубного пространства fмтр при минимальной скорости течения жидкости.

Будем считать, что в трубах теплообменного аппарата течет керосин, а межтрубье – бензин.

(м2);

2);

  1.  На основании данных полученных в предыдущем пункте, произведем выбор теплообменного аппарата.

Тип аппарата – ТА с U-образными теплообменными трубками;

Число рядов труб в пучке Z=16;

Число рядов труб в окнах перегородок Zn=8;

Число рядов труб между полостями, проходящими через кромки перегородок Zвп=4;

Диаметр

кожуха, мм

Наружный

диаметр труб dn,мм

Число ходов по трубам nx

Площадь проходного сечения f, 10-22

Площадь поверхности теплообмена F2) при длине труб l (мм)

Наруж-ный

Внут-ренний

Одного хода по тубам

В вырезе пере-городки

Между пере-городками

3000

6000

426

400

20

2

1,2

2,0

3,3

23

46

  1.  Уточним значение скорости, в соответствии с выбранным теплообменным аппаратом, и вычислим число Рейнольдса

(м/с);

(м/с);

 

  1.  Расчет коэффициента теплопередачи  k от горячего теплоносителя к холодному.

Для этого необходимо знать истинную температуру стенки трубы. Для ее нахождения используем метод приближенных итераций

  1.  Зададим температуру стенки в первом приближении, как :

Определим ,при этой температуре число Прандтля для теплоносителей по таблицам П-1.2 иП-1.3:

;

  1.  Вычислим коэффициент теплоотдачи в трубном  пространстве αтр. 

 Так как Reтр=5596,914, то использую табл.7, определяем C=18,4698;   j=0;   y=0,43;   i=0. Таким образом:

(Вт/(м2*К))

  1.  Вычислим коэффициент теплоотдачи в межтрубном  пространстве αмтр

 Неизвестные величины в данной формуле определим в соответствии с выбранным теплообменным аппаратом:

(Вт/(м2*К))

  1.  Температура стенки в следующем приближении:

С целью получить более точные результаты, дальнейшие вычисления произведем в программе, составленной в пакете Microsoft Excel:

t(i)_s

Pr_ker

Pr_ben

alpha_ker

alpha_ben

t(i+1)_s

1

50,0557

18,68775

7,197661

376,39461

374,1143

50,13149

2

50,131491

18,67107

7,194477

376,47862

374,1556

50,13289

3

50,132895

18,67076

7,194418

376,48017

374,1564

50,13292

4

50,132921

18,67076

7,194417

376,4802

374,1564

50,13292

5

50,132921

18,67076

7,194417

376,4802

374,1564

50,13292

 

 

 

 

 

 

 

Результаты, полученные в пунктах 1. – 4. и первой строке таблицы совпадают, следовательно, результатам, приведенным в таблице, можно доверять. Таким образом:

Вт/(м2*К);

Вт/(м2*К);

  1.  Определим коэффициент теплопроводности материала стенки трубы.

Так как tcт=50,1329 оС, то λст=51,474 (Вт/(м*К))

  1.  Вычислим коэффициент теплопередачи.

Где (δ/λ)з.тр и (δ/λ)з.мтр – термические сопротивления загрязнений на внутренней и наружной поверхности теплообменных труб. Для керосина и бензина (δ/λ)з.тр=(δ/λ)з.мтр=29*10-4 ((м2*К)/Вт). Таким образом:

(Вт /(м2*К))

  1.  Определим расчетную площадь теплообмена и число теплообменных аппаратов.

2);

Таким образом нам необходим 1 ТА с площадью поверхности теплообмена 46 м2.


4.2 Проверочный тепловой расчет теплообменного аппарата

  1.  Рассчитаем фактическую тепловую мощность теплообменного аппарата по формуле Н.И. Белоконя.

  1.  Рассчитаем водяные эквиваленты горячего и холодного теплоносителей.

(Вт/К);

(Вт/К);

  1.  Рассчитаем приведенный водяной эквивалент.

Так как был выбран U – образный теплообменный аппарат P=0,5.

(Вт/К);

  1.  

(Вт);

  1.  Определим действительные температуры теплоносителей на выходе из теплообменного аппарата.

 оС;

 оС;

  1.  Вычислим относительные расхождения температур между действительными и заданными температурами горячего и холодного теплоносителя.

Погрешности не превышают 5%, следовательно, расчет проведен правильно.


4.3 Гидравлический расчет теплообменного аппарата

Расчет падения давления теплоносителей в трубном и межтрубном пространстве ТА

  1.  Вычислим падение давления в трубном пространстве.

В трубное пространство запущен керосин. Так как режим течения турбулентный (Reтр>2300), то коэффициент гидравлического сопротивления внутренней поверхности труб λ рассчитывается по формуле:

;

(Па);

  1.  Вычислим падение давления в межтрубном пространстве.

;

Где pп  - падение давления теплоносителя при поперечном омывании пучка труб между перегородками; pв.п -  падение давления в окнах сегментных перегородок; pв.к - падение давления во входной и выходной секциях межтрубного пространства; pв.м - падение давления на входе и выходе из межтрубного пространства.

  1.  Определим  падение давления теплоносителя при поперечном омывании пучка труб между перегородками.

;

  1.  Вычислим pпо  падение давления теплоносителя при обтекании идеального пучка труб поперечным потоком.

;

  •  Zn – число рядов труб, омываемых поперечным потоком теплоносителя

Zn=8;

  •  Так как Reтр=5596,914 ,то:

b1=0,333;

b2=-0,136;

b3=6,59;

b4=0,52;

  •  t- шаг труб в трубном пучке

t=26*10-3;


(
Па);

  1.  Определим поправочные коэффициенты x1 и x2.

; ;

  •  Nпер – число сегментных перегородок

Nпер=24;

  •  r1, r2, r3, r4 – определяющие параметры конструкции

r1=0,113;

r2=0,329;

r3=0,306;

r4=0;

=0,62;

(Па);

  1.  Вычислим падение давления в окнах сегментных перегородок pв.п

;

Где Zв.п – число рядов труб в вырезе перегородок. Zв.п=4;

(Па);

  1.  Вычислим падение давления во входной и выходной секциях межтрубного пространства pв.к

;

- число рядов труб, пересекаемых перегородкой; =12

х3 – поправочный коэффициент;

- шаг перегородок; = 0,21 (м);

, - расстояние от трубных решеток до ближайших перегородок;

====0,585 (м);

Па;

  1.  Вычислим падение давления на входе и выходе из межтрубного пространства pв.м.

Па;

Таким образом:

Па;

  1.  Вычислим мощности, необходимые для перекачки теплоносителей через трубное и межтрубное пространство.

 Вт;

Вт;

  1.  Вычислим эффективные мощности привода насосов или компрессоров, необходимые для перекачки теплоносителей через трубное и межтрубное пространство.

Вт;

Вт;


5 Графическая часть курсовой работы

  1.  Построим температурную диаграмму теплоносителей для выбранного теплообменного аппарата.

  1.  

Чертеж кожухотрубного теплообменного аппарата.

1 – рааспределительная камера; 2 – трубная решетка; 3 – кожух; 4 – теплообменная труба; 5 – поперечная перегородка; 6 – крышка кожуха; 7 – опора; 8 – катковая опора трубного пучка.

6 Список литературы

  1.  «Расчет и выбор конструкции кожухотрубного теплообменного аппарата» Калинин А.Ф, Москва, «РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина» 2002;
  2.  «Термодинамические и теплофизические свойства рабочих тел теплоэнергетических установок» Трошин А.К., Москва, «МПА - Пресс» 2006;
  3.  «Термодинамика и теплопередача» Поршаков Б.П., Москва, «Недра» 1987;
  4.  Конспект лекций по курсу «Термодинамика и теплотехника»


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

76990. Административные производства и административные процедуры как составные части административного процесса 28.63 KB
  Об административных процедурах говорится как о системе административнопроцедурных правоотношений складывающихся в различных административноправовых институтах. Основная цель формирования административных процедурных правоотношений установление административного правового порядка осуществления управленческих действий; реализация прав и исполнение обязанностей граждан и организаций; обеспечение законности публичного управления; установление гарантий справедливости и обоснованности принятия административных актов или совершения...
76991. Производство по обращениям граждан: правовые основы, виды обращений, процессуальные права, обязанности, гарантии, ответственность участников производства 28.35 KB
  В известном смысле данный вид производства связан также с реализацией конституционного права граждан свободно искать получать передавать производить и распространять информацию любым законным способом за исключением сведений составляющий государственную тайну Обеспечение реализации этого конституционного права российских граждан составляет важную обязанность органов государственной власти Российской Федерации их специальных подразделений аппарата и должностных лиц. Так в аппарате Администрации Президента Российской Федерации существует...
76992. Общая характеристика производства по делам об административных правонарушениях. Задачи и принципы данного производства, обстоятельства, исключающие производство по делу 27.25 KB
  Общая характеристика производства по делам об административных правонарушениях. Задачами производства по делам об административных правонарушениях являются всестороннее полное объективное и своевременное выяснение обстоятельств каждого дела разрешение его в соответствии с законом обеспечение исполнения вынесенного постановления а также выявление причин и условий способствовавших совершению административных правонарушений. Принцип объективности выражается в обязанности государственных органов и должностных лиц уполномоченных осуществлять...
76993. Стадии производства по делам об административных правонарушениях, их правовая характеристика 29.2 KB
  Так при взыскании штрафа на месте соединяется расследование рассмотрение дела и исполнение постановления. Рассмотрение дела: подготовка дела к рассмотрению анализ и оценка обстоятельств дела принятие постановления объявление постановления. Пересмотр постановления: подача жалобы или опротестование постановления; рассмотрение жалобы или пересмотр постановления; вынесение решения; оглашение решения. Исполнение постановления: обращение постановления к исполнению; приведение постановления в исполнение; разрешение вопросов связанных с...
76994. Участники производства по делам об административных правонарушениях: понятие, классификация 27.05 KB
  Участники производства по делам об административных правонарушениях: понятие классификация. Это те уполномоченные лица которые наделены правом принятия решений в производстве по делу решений о возбуждении дела или отказе в возбуждении дела о назначении наказания или прекращения производства и т. Эти лица не имеют своего интереса в исходе производства они содействуют его осуществлению в силу своих профессиональных обязанностей или в процессе выполнения гражданского долга. Всех субъектов производства можно разделить на несколько групп.
76995. Субъекты административно-юрисдикционной деятельности и подведомственность им дел об административных правонарушениях 27.07 KB
  Административноюрисдикционный процесс – деятельность субъектов государственноисполнительной власти по разрешению споров между различными субъектами а также по применению мер административного и дисциплинарного принуждения осуществляемая в административнопроцессуальной форме. Подведомственность устанавливаемая КоАП РФ и законодательными актами субъектов РФ представляет собой распределение закрепление всех дел об административных правонарушениях между органами административной юрисдикции которые уполномочены рассматривать дела...
76996. Характеристика участников производства по делу об административном правонарушении, имеющих заинтересованность в исходе дела 26 KB
  Характеристика участников производства по делу об административном правонарушении имеющих заинтересованность в исходе дела. По степени заинтересованности в деле участников производства по делу об административном правонарушении не обладающих государственновластными полномочиями следует классифицировать на: 1 имеющих личную заинтересованность в исходе дела об административном правонарушении; 2 не имеющих личной заинтересованности в исходе дела. К первой группе следует отнести: лицо в отношении которого ведется производство по делу об...
76997. Характеристика участников производства, способствующих осуществлению производства по делам об административных правонарушениях 27.05 KB
  Они вправе давать показания по делу; заявлять отводы других участников производства; пользоваться юридической помощью; обжаловать итоговые решения стадий; получать копии процессуальных документов; знакомиться со всеми материалами дела об административном правонарушении. В качестве лиц способствующих осуществлению производства по делу об административном правонарушении могут быть только физические лица. По делу об административном правонарушении подлежат выяснению: 1.характер и размер ущерба причиненного административным правонарушением; В...
76998. Меры обеспечения производства по делам об административных правонарушениях: правовое основание и цели применения, особенности процессуального оформления некоторых мер 28.22 KB
  Меры обеспечения производства по делам об административных правонарушениях применяются в следующих целях: пресечение правонарушения; установления личности нарушителя; составление протокола об административном правонарушении при невозможности его составления на месте выявления нарушения; обеспечение своевременного и правильного рассмотрения дела и исполнения принятого по делу постановления.1 освидетельствование на состояние алкогольного опьянения; 6 медицинское освидетельствование на состояние опьянения; 7 задержание транспортного средства...