Министерство образования Российской Федерации

Российский государственный университет нефти и газа им. И.М. Губкина

А.Ф. КАЛИНИН

Расчет и выбор конструкции кожухотрубного теплообменного аппарата Москва 2002

Министерство образования Российской Федерации

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

НЕФТИ И ГАЗА им. И.М. ГУБКИНА

_________________________________________________________

Кафедра термодинамики и тепловых двигателей

А.Ф. Калинин

РАСЧЕТ И ВЫБОР КОНСТРУКЦИИ КОЖУХОТРУБНОГО ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА

Методические указания по курсовому проектированию для студентов специальностей: 090600, 090700, 170200, 250100, 250400, 320700, 330500

Под редакцией проф. Б.П. Поршакова Москва 2002

УДК 621.1.016

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. – 82 с.

Дана методика теплового и гидравлического расчета кожухотрубного теплообменного аппарата. Приведены основные критерии, определяющие выбор конструкции кожухотрубных теплообменников.

Представлены основные конструктивные характеристики кожухотрубных теплообменных аппаратов и другие материалы справочного характера.

Рецензент – К.Х.Шотиди, кандидат технических наук, доцент

кафедры термодинамики и тепловых двигателей РГУ нефти

и газа им. И.М. Губкина

© Российский государственный университет

нефти и газа им. И.М. Губкина, 2002

СОДЕРЖАНИЕ

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И ИНДЕКСЫ ………………………………..4

ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………………6

1. ТИПЫ КОЖУХОТРУБНЫХ ТЕПЛООБМЕННИКОВ И ОСОБЕННОСТИ ИХ КОНСТРУЦИИ……………………………….7

2. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ И ВЫБОР КОНСТРУКЦИИ ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА…………………………….….17

   0. Предварительный (оценочный) расчет и выбор теплообменного аппарата………………………………………...17

   1. Расчет коэффициента теплопередачи и окончательный выбор ТА………………………………………...29

3. ПРОВЕРОЧНЫЙ ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА…………………………….…..37

4. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕННОГО

АППАРАТА…………………………………………………………..38

0. Расчет падения давления теплоносителей в трубном и межтрубном пространстве ТА……………………….38

1. Определение мощности энергопривода перекачивающих устройств………………………………………45

1. ОЦЕНКА ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА………………………………...46

2. ГРАФИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ КУРСОВОЙ РАБОТЫ (ПРОЕКТА)…...46

ПРИЛОЖЕНИЕ I………………………………………………………………..47

ПРИЛОЖЕНИЕ II……………………………………………………………….51

ПРИЛОЖЕНИЕ III………………………………………………………………69

ЛИТЕРАТУРА…………………………………………………………...………82

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

Q – тепловой поток (тепловая мощность теплообменного аппарата), Вт;

T, t – температура, К, ^оС;

G – массовый расход, кг/с;

W – водяной эквивалент теплоносителя, Вт/К;

F, f – площади поверхности теплообмена и проходного сечения, м²;

d, , l – диаметр, толщина и длина, м;

с_pm – удельная массовая теплоемкость, Дж/(кг.К);

 – плотность, кг/м³;

 – коэффициент теплопроводности, Вт/(м.К);

,  – кинематический и динамический коэффициенты вязкости, м²/с и Пас;

 – температурный коэффициент объемного расширения, 1/К;

w – линейная скорость, м/с;

u – массовая скорость, кг/(м².с);

 – коэффициент теплоотдачи, Вт/(м².К);

k – коэффициент теплопередачи, Вт/(м².К);

R – термическое сопротивление, (м².К)/Вт;

P – индекс противоточности;

Δp – падение давления, Па;

Числа (критерии) подобия:

Нуссельта Nu = , Рейнольдса Re = = ,

Грасгофа Gr = ,

Прандтля Pr = .

ИНДЕКСЫ

1 – индекс, который имеют характеристики, относящиеся к горячему теплоносителю;

2 – индекс, который имеют характеристики, относящиеся к холодному теплоносителю;

΄ – индекс характеристик теплоносителя на входе в теплообменный аппарат;

˝ – индекс характеристик теплоносителя на выходе из теплообменного аппарата;

тр – индекс, который имеют характеристики, относящиеся к теплоносителю, который движется в трубном пространстве;

мтр – индекс, который имеют характеристики, относящиеся к теплоносителю, который движется в межтрубном пространстве;

min – минимальное значение характеристики;

max – максимальное значение характеристики.

ВВЕДЕНИЕ

Теплообменными аппаратами (ТА) называются устройства, предназначенные для передачи теплоты от одного теплоносителя к другому. Теплообменные аппараты широко применяются в нефтедобывающей, газовой, нефтеперерабатывающей и химической промышленности: для производства теплооменного оборудования затрачивается до 30 % от общего расхода металла на все технологическое оборудование [10].

Широкое использование теплообменного оборудования в нефтяной и газовой промышленности обязывает специалистов уметь их рассчитывать, обобщать опыт их эксплуатации, анализировать рабочий процесс и намечать пути повышения эффективности их работы. Эффективная работа теплообменных аппаратов приводит к экономии энергии, сокращению расхода топлива и улучшает технико-экономические показатели производственных процессов.

Наиболее широкое распространение в настоящее время получили кожухотрубные теплообменники. По некоторым данным они составляют до 80 % от всей теплообменной аппаратуры, используемой в нефтяной и газовой промышленности.

На кафедре термодинамики и тепловых двигателей РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина студентами ряда специальностей: 090600, 090700, 170200, 250100, 250400, 320700, 330500 выполняется курсовой проект (работа), целью которого является выбор стандартного теплообменного аппарата, обеспечивающего при заданных массовых расходах (G₁, G₂) температурные режимы теплоносителей (t₁, t₁, t₂, t₂).

При выборе стандартного теплообменного аппарата необходимо провести конструктивный и проверочный тепловые расчеты, а также гидравлический расчет теплообменника.

Целью конструктивного теплового расчета является определение типа теплообменного аппарата и его конструкции.

При проверочном тепловом расчете определяется мощность выбранного стандартного теплообменного аппарата Q_ст и действительные конечные температуры теплоносителей (t_1д, t_2д). В результате этого расчета выясняется возможность использования стандартного теплообменника при заданных температурных режимах теплоносителей.

Гидравлический расчет теплообменного аппарата необходим для определения падения давления теплоносителей (p₁, p₂) в ТА и мощностей энергопривода насосов и компрессоров (Ne₁, Ne₂), необходимых для перекачки теплоносителей через аппарат.