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

114 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»