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

109 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

23589. Автоматизированные переводные словари. Принципы построения 11.5 KB
  Зона лексического грамматического класса ЛЕ по частям речи далее категоризация. Зона морфологической информации 4. Зона индекса надежности отражает степень общепринятости данного ПЭ: А официальный стандарт Б уважаемые словари В тетради новых терминов Г плавающие 6. Зона ПЭ при нескольких ПЭ у каждого свой номер 7.
23590. Лексикография как прикладная дисциплина. Внутренняя и внешняя типология словарей 19.5 KB
  Внутренняя и внешняя типология словарей. Лексикография прикладная лингвистическая дисциплина занимающаяся практикой и теорией составления словарей. Все многообразие различных типов словарей нормативные учебные переводные терминологические идеологические этимологические . Главная проблема в разработке оптимальной стратегии новых словарей проблема обоснованности словарей как с точки зрения их состава так и в плане адекватности подаваемой в них информации.
23591. Назначение и принципы организации Субд на ПЭВМ 19.5 KB
  Назначение и принципы организации Субд на ПЭВМ СУБД состоит из совокупности взаимосвязанных данных и набора программ обеспечивающих доступ к данным и манипуляцию ими. Совокупность взаимосвязанных данных принято называть БД. Концептуальный уровень содержит описание данных хранящихся в БД и отношений между ними. Модель данных представляет собой набор концептуальных инструментов для описания данных отношений между ними семантики данных и ограничений их целостности consistency constraints.
23592. Формальные модели синтаксической структуры предложения 19.5 KB
  Система составляющих это множество отрезков предложения которое обладает тем свойством что каждые два входящих в него отрезка либо не пересекаются либо один из них содержится в другом. При графическом изображении система составляющих тоже приобретает вид дерева дерева непосредственных составляющих ДНС. грамматика деревьев служит не для порождения предложений а для преобразования деревьев интерпретируемых как деревья подчинения или деревья составляющих например грамматика система правил преобразования деревьев интерпретируемых...
23593. Типы экспериментальных методов в лингвистике 17.5 KB
  Типы экспериментальных методов в лингвистике Экспериментальные методы в лингвистике это методы позволяющие изучать факты языка в условиях. что текст как таковой будучи данностью не может быть объектом ЭМ; именно поэтому ЭМ не применимы к изучению истории языка особенностей стиля автора и т. Объектом ЭМ является человек носитель языка порождающий текст воспринимающий тексты и выступающий как информант для исследователя. в лингвистическом эксперименте исследователь может иметь в качестве подобного объекта самого себя или других...
23594. Общенаучный метод моделирования и специфика его применения в лингвистике 11 KB
  Моделью можно назвать образ какоголибо объекта используемый в определенных условиях в качестве его заместителя фотография в паспорте модель человека. Свойства моделей: условность образ может быть не только материальным но и мысленным и передаваться посредством знаковой системы моделью может быть не только образ но и праобраз оригинала модель чаще всего является гомоморфной оригиналу то есть многим элементам оригинала соответствует меньшее количество элементов модели в отличие от изоморфизма Модель в лингвистике искусственно...
23595. Синтез речи 30.5 KB
  1 Ограничения на синтез речи. Cуществуют различные методы синтеза речи. Возможности синтезированной речи зависят от того в какой области она будет применятся.
23596. Типы лингвистических моделей; основные требования к ним и критерии их оценки 12.5 KB
  по гносеологическому статусу: модели языка модели лингвистических знаний различные фонетические школы модели деятельности лингвиста 4. по отраженному аспекту языка и речевой деятельности: Модели различаются не только по направленности на определенный объект но и по используемым средствам моделирования алгоритму или исчислению Алгоритм строгая последовательность предписывающих правил Исчисление множество разрешающих правил порядок выполнения не важен анализирующие модели моделируют процесс понимания используют логическое средство...
23597. Синтаксический анализ 184 KB
  При использовании синтаксического анализа происходит интерпретация отдельных частей высказывания а не всего высказывания в целом. Деревья анализа и свободноконтекстные грамматики. Большинство способов синтаксического анализа реализовано в виде деревьев. Свободноконтекстная грамматика широко используется в машинных языках и с ее помощью созданы высокоэффективные методы анализа.