мой курсач по тт)

11

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ НЕФТИ И ГАЗА им. И.М. ГУБКИНА

КАФЕДРА ТЕРМОДИНАМИКИ И ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

КУРСОВАЯ РАБОТА ПО ТЕРМОДИНАМИКЕ

ТЕМА: «КОНСТРУКТИВНЫЙ И ПРОВЕРОЧНЫЙ ТЕПЛОВОЙ РАСЧЁТ ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА»

Выполнил

студент группы ХТ-10-2

Кунусов М.М.

Проверил

Шотиди К.Х.

Москва 2012

Введение

Классификация теплообменных аппаратов.

Теплообменным аппаратом (ТА) называется устройство, в котором осуществляется теплообмен между двумя теплоносителями. ТА широко применяются в нефтедобывающей, газовой, нефтеперерабатывающей и химической промышленности, при транспорте и хранении нефти, нефтепродуктов и газа и в других отраслях народного хозяйства. По принципу действия ТА делятся на рекуперативные и смесительные.

В рекуперативных ТА горячая и холодная среды одновременно с разных сторон омывают поверхность теплопередачи, а теплота передаётся через стенку.

В регенеративных ТА 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 неё и нагревается. Примером таких ТА могут служить вращающиеся воздухоподогреватели.

В рекуперативных и регенеративных ТА в процессе теплообмена участвует поверхности теплопередачи, поэтому эти ТА называются поверхностными.

В смесительных ТА теплопередача от горячей жидкости к холодной осуществляется путём их непосредственного смешения. Эти ТА называют контактными. Примером таких ТА могут быть градирни, в которых разбрызгиваемая вода охлаждается атмосферным воздухом.

В зависимости от назначения и конструктивного оформления ТА имеют специальные наименования. Наиболее широко распространены кожухотрубные теплообменники; по некоторым данным они составляют до 80% всей теплообменной аппаратуры. Большое распространение получили также теплообменные аппараты жёсткой конструкции, теплообменники с компенсаторами температурных напряжений (с линзовыми компенсаторами на корпусе, с плавающей головкой), с U-образными трубками. Кроме того, в нефтяной и газовой промышленности широко применяются теплообменные аппараты типа”труба в трубе”. В промышленности наибольшее распространение получили поверхностные ТА, где горячая и холодная жидкости могут двигаться различно. Наиболее простыми и распространёнными схемами движения являются прямоток, противоток и перекрёстный ток. При прямотоке горячая и холодная среды движутся вдоль поверхности теплообмена в одном направлении, при противотоке – в противоположных направлениях, при перекрёстном токе – в перекрещивающихся направлениях. Существуют аппараты и с более сложными схимами теплообмена.

Кожухотрубные теплообменники относятся к поверхностным теплообменным аппаратам рекуперативного типа. Различают следующие типы кожухотрубных теплообменных аппаратов:

• теплообменные аппараты с неподвижными трубными решётками (жёсткотрубные ТА);

• теплообменные аппараты с неподвижными трубными решётками и с линзовым компенсатором на кожухе;

• теплообменные аппараты с U-образными трубами.

В зависимости от расположения 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 теплообменные аппараты делятся на одноходовые и многоходовые в межтрубном пространстве.

Теплообменники с неподвижными трубными решётками применяются, если максимальная разность температур теплоносителей не превышает 80⁰С, и при сравнительно небольшой длине аппарата.

Для частичной компенсации температурных напряжений в кожухе и в теплообменных трубах используются специальные гибкие элементы (расширители, компенсаторы), установленные на кожухе.

Эффективность кожухотрубчатых ТА повышается с увеличением скорости движения потоков теплоносителей и степени их турбулизации. Для увеличения скорости движения потоков в межтрубном пространстве и их турбулизации, повышения качества омывания поверхности теплообмена в межтрубное пространство ТА устанавливаются специальные поперечные перегородки. Наибольшее распространение получили сегментные перегородки.

Поперечные перегородки с секторным вырезом оснащены дополнительной продольной перегородкой, равной по высоте половине внутреннего диаметра кожуха аппарата. Секторный вырез располагают в соседних перегородках в шахматном порядке. При этом теплоноситель в межтрубном пространстве совершает вращательное движение то по часовой стрелке, то против неё.

Аппараты со ”сплошными” перегородками используются обычно для чистых жидкостей. В этом случае жидкость протекает по кольцевому зазору между теплообменными трубами и отверстиями в перегородках.

Для повышения тепловой мощности ТА при неизменных длинах труб и габаритов ТА используется оребрение наружной поверхности теплообменных труб. Оребрённые теплообменные трубы применяются в тех случаях, когда со стороны одного из теплоносителей трудно обеспечить высокий коэффициент теплоотдачи (газообразный теплоноситель, вязкая жидкость, ламинарное течение и т.д.). Различают следующие оребрённые трубы:

• с приварными ”корытообразноми” рёбрами;

• с завальцованными рёбрами;

• с винтовыми рёбрами;

• с выдавленными рёбрами;

• с приваренными шиловидными рёбрами.

Конструктивный тепловой расчёт приводится для того, чтобы выбрать теплообменный аппарат при их серийном производстве на заводах или спроектировать новый аппарат.

Проверочный тепловой расчёт проводится с целью определить мощность теплообменного аппарата и конечные температуры теплоносителей, омывающих поверхность нагрева теплообменного аппарата, конструкция и площадь поверхности нагрева которого известны.

Дано:

1. Горячий теплоноситель: бензин

Расход G₁=12 кг/с;

Начальные и конечные параметры состояния: t₁=169⁰C, t₂=89⁰C

2. Холодный теплоноситель: вода

Расход G₂= кг/с?;

Начальные и конечные параметры состояния: ₁=24⁰C, ₂=74⁰C

Конструктивный тепловой расчёт.

1. Теплофизические свойства горячего и холодного теплоносителей.

горячий теплоноситель-газойль.

холодный теплоноситель-нефть.

	tm, oC	кг/м3	Ср∙10-3,Дж/(кг∙К)	λ,Вт/(м∙К)	ν∙106,м2/с	Pr
Газойль	129	780,3	2,41	0,1025	0,348	5,66
Нефть	49	850	2	0,68	0,326	1,95

2. Мощность теплообменного аппарата (Q, Вт) по исходному заданию.

[1,c.19]

где η – коэффициент, учитывающий тепловые потери в окружающую среду

η = 0,95 – 0,98 [1,c.19]

кг/с

Вт

3. Средняя разность температур θ_m, ^оС.

[1,c.20]

4. Предварительное определение водяного эквивалента поверхности нагрева (kF, кВт/^оС) и размеров аппарата (k-по оценке).

Приемлемые диапазоны площадей проходных сечений трубного и межтрубного пространства находятся с использованием рекомендуемых диапазонов скоростей теплоносителей из соотношений:

ƒ_min; ƒ_max [1,c.25]

где _max и _min – максимальная и минимальная рекомендуемые скорости потоков теплоносителей;

ρ и G – плотность и массовый расход теплоносителя.

_{max 1} = 3,0 м/с и _{min 1} = 0,5 м/с

_{max 2} = 3,0 м/с и _{min 2} = 0,5 м/с

Для газойля:

ƒ_{min 1} м²

ƒ_{max 1} м²

Для нефти:

ƒ_{min 2} м²

ƒ_{max 2} м²

Выберем сталь углеродистую 40

толщина стенки 2 мм

коэффициент теплопроводности стали λ=48,1 Вт/(м∙К)

термические сопротивления загрязнений:

• для газойля R_з=(4-29)∙10^-4 (м²∙К)/Вт

• для нефти R_з=29∙10^-4 (м²∙К)/Вт

Коэффициент теплоотдачи:

• для газойля α =500-2000 Вт/(м²∙К)

• для нефти α =150-500 Вт/(м²∙К)

Коэффициент теплопередачи по оценке:

Вт/(м²∙К)

[1,c.25]

Вт/К

м²

5. Предварительный выбор теплообменного аппарата по каталогу.

Выбираем кожухотрубный теплообменный аппарат с плавающей головкой и с U-образными трубами.

F = 212 м² [1,c.73]

L = 6000 мм

Схема расположения труб в пучке:

Диаметр кожуха, мм		Наружный диаметр труб dн, мм	Число ходов по трубам nx	Площадь проходного сечения ƒ∙102, м2
Наружный	Внутренний			Одного хода по тубам	В вырезе перего-родки	Между перегород-ками
—	800	20	2	5,6	7,8	12,0

6.Определение коэффициента теплоотдачи от горячего теплоносителя к стенке α₁.

Воду как более грязный продукт направляем в межтрубное пространство, а бензин – в трубу.

Коэффициент теплоотдачи в трубном пространстве α_тр находится по формуле:

[1,c.73]

где Re, Pr, Gr – числа подобия бензина при средней температуре потока;

λ_тр – коэффициент теплопроводности бензина.

≈ 1, поэтому этой величиной можно пренебречь.

Средняя скорость бензина в трубном пространстве _тр, необходимая для определения числа Рейнольдса, рассчитывается по формуле:

[1,c.29]

где G_тр , _тр – массовый расход и плотность бензина;

ƒ_тр – площадь проходного сечения одного хода по трубам выбранного стандартного ТА

м/с

Число Рейнольдса рассчитывается по формуле:

Режим турбулентный: с=0,021; j=0,8; y=0,43; i=0 [1,c.30]

Вт/(м²∙К)

7.Определение коэффициента теплоотдачи от стенки к холодному теплоносителю α₂

Коэффициент теплоотдачи в межтрубном пространстве α_мтр находится по формуле:

[1,c.29]

где Re, Pr, Gr – числа подобия воды при средней температуре потока;

λ_тр – коэффициент теплопроводности воды.

≈ 1, поэтому этой величиной можно пренебречь.

с_z – учитывает зависимость среднего коэффициента теплоотдачи в межтрубном пространстве от числа рядов труб в пучке, омываемых в поперечном направлении Z_n, Z_n=19 [1,c.81] => с_z=1 [1,c.32];

с=0,679 [1,c.81]

Средняя скорость воды в межтрубном пространстве _мтр, необходимая для определения числа Рейнольдса, рассчитывается по формуле:

[1,c.31]

где _Gмтр , _мтр – массовый расход и плотность воды;

ƒ_в.п., ƒ_в.п – площадь проходного сечения в вырезе перегородки и между перегородками в межтрубном пространстве выбранного стандартного ТА

м/с

Число Рейнольдса рассчитывается по формуле:

Режим турбулентный: с₁=0,4; m=0,6; n=0,36 [1,c.32]

Вт/(м²∙К)

8. Определение дополнительных термических сопротивлений стенки трубы и загрязнений.

Выберем сталь Х18Н9(ЭЯ1)

толщина стенки δ_ст = 2 мм

коэффициент теплопроводности стали λ_ст=16,3 Вт/(м∙К)

термические сопротивления загрязнений:

• для бензина R_{з тр} = 29∙10^-4 (м²∙К)/Вт

• для воды R_{з мтр} = 2,9∙10^-4 (м²∙К)/Вт

9. Определение коэффициента теплопередачи и водного эквивалента поверхности нагрева.

Коэффициент теплопередачи:

Вт/(м²∙К)

Вт/К

м²

Оставляем ранее выбранный теплообменник.

10. Определение фактической мощности выбранного теплообменного аппарата по данным проверочного расчёта.

Фактическая тепловая мощность выбранного теплообменного аппарата рассчитывается по формуле Белоконя:

[1,c.37]

где W_m – приведённый водяной эквивалент,

где W₁=C_p1∙G₁=2,41∙10³∙19,44=46850,4 Вт/с

W₂=C_p2∙G₂=4,208∙10³∙63,46=267039,7 Вт/с

Принимаем Р=0,5

с/Вт

W_m =46145,6 Вт/с

Вт

Действительные температуры теплоносителей на выходе из ТА:

[1,c.37]

Отклонение от заданных температур составляют соответственно 3,9% и 3,6%.

^оС

t₁=120

t₂=60

_=25

₁=15

kF

бензин

вода

1

2

3

4

5

6

7

бензин

вода

Кожухотрубчатый теплообменник с U-образными теплообменными трубами:

1 – распределительная камера; 2 – трубная решётка; 3 – кожух; 4 – теплообменная труба; 5 – поперечная перегородка; 6 – крышка кожуха; 7 – опора.

Список использованной литературы

1. Калинин А.Ф. Расчёт и выбор конструкции кожухотрубного ТА. – М.:РГУ нефти и газа, 2002.

2. Трошин А.К. Теплоносители тепло- и массообменных аппаратов и их теплофизические свойства. – М.: МИНГ, 1984