Тепловой и гидравлический расчёт теплообменных аппаратов

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

 

Кафедра термодинамики  и тепловых двигателей

 

 

 

 

 

 

Курсовая работа: «Тепловой и гидравлический расчёт теплообменных аппаратов»

 

 

 

 

 

                                                                              Выполнил: Мостовой Е.Н.

                                                                                       РН-05-1

                                                                        Проверил: Шотиди К.Х

 

 

 

Москва 2007

I. Введение. Классификация теплообменных аппаратов.

Теплообменный аппарат (ТА) – устройство, в котором осуществляется теплообмен между двумя или несколькими теплоносителями либо между теплоносителем и поверхностью твёрдого тела. Процесс передачи теплоты от одного теплоносителя к другому — один из наиболее важных и часто используемых в технике процессов, например получение пара. 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.

При выборе стандартного ТА необходимо провести конструктивный и проверочный  тепловые расчёты, а также гидравлический расчёт теплообменника. Целью конструктивного теплового расчёта является определение типа ТА и его конструкции. В результате проверочного теплового расчёта выясняется возможность использования стандартного теплообменника при заданных температурных режимах теплоносителей. Гидравлический расчёт ТА необходим для определения мощностей энергопривода насосов и компрессоров для перекачки теплоносителей через аппарат.

Типы ТА:

1.Рекуперативный (от лат. recuperator - получающий  обратно, возвращающий), теплообменник,  в котором теплообмен между  теплоносителями осуществляется непрерывно через разделяющую их стенку.

2. Регенеративный (от лат. regenero —  вновь произвожу), теплообменник,  в котором передача теплоты  осуществляется поочередным соприкосновением  горячего и холодного теплоносителей  с одними и теми же поверхностями аппарата.

3. Смесительный

 

Кожухотрубные теплообменники относятся  к поверхностным ТА рекуперативного  типа. Различают следущие типы кожухотрубных  ТА:

1. С неподвижными трубными решётками.

2. С неподвижными трубными решётками  и с линзовым компенсатором на кожухе.

3. С плавающей головкой.

4. С U – образными трубами.

В зависимости от расположения теплообменных  труб различают ТА горизонтального  и вертикального типа. От числа  перегородок в распределительной  камере и входной крышке – на одноходовые, двухходовые и многоходовые в трубном пространстве. От числа продольных перегородок, установленных в межтрубном пространстве, – на одно- и многоходовые в межтрубном пространстве.

ТА с плавающей головкой используются при температурах теплообменивающихся сред от -30 ˚С до +450 ˚С, давление в трубном пространстве может достигать 8 МПа. С неподвижными трубными решётками и с температурным коэффициентом на кожухе используются при температурах от -70 ˚С до +350 ˚С, давление в межтрубном пространстве может достигать 4 МПа.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II. Конструктивный тепловой расчёт.

1) Исходные данные.

Теплоноситель	Массовый расход G, кг/с	Температура на входе в ТА t’, °C	Температура на выходе из ТА t”, °C
Горячий: вода	23	198	105
Холодный: мазут	-	27	118

 

Определение теплофизических свойств горячего и холодного теплоносителей (с_pm, λ, ν, ρ, Pr).

Определим среднюю арифметическую температуру теплоносителей.

°C

°C

Теплоноси-тель	Удельная массовая теплоёмкость cpm, кДж/(кг∙К)	Коэффициент теплопровод-ности λ, Вт/(м∙К)	Кинематический коэффициент вязкости ν, 10-6 м2/с	Плотность ρ, кг/м3	Число Прандтля Pr
Вода  (t=151,5 °C)	4,32	0,684	0,204	917	1,18
Мазут (t=72,5 °C)	2,02	0,126	45	905	700

 

Определим мощность теплообменного аппарата.

η – коэффициент, учитывающий тепловые потери в окружающую среду (от 0,95 до 0,98). Примем η=0,97.

Вт

Расчитаем массовый расход мазута.

Q₂=η∙Q₁

Вт

кг/с

Определим среднюю разность температур между теплоносителями θ_m.

Для противоточной  схемы движения теплоносителей средняя  разность температур между теплоносителями  θ_m рассчитывается по уравнению Грасгофа:

где °C

       °C

°C

 

Определим оптимальный  диапазон площадей проходных сечений (f₁, f₂) и минимального индекса противоточности P_min ТА.

Выберем скорости теплоносителей:

вода – ω₁=3 м/с;

мазут – ω₂=0,2 м/с.

м²

м²

Выбираем противоток P=1.

 

Определим водяной эквивалент kF и площадь поверхности F теплообмена ТА.

Вт/К

 

 

 

Коэффициент теплопередачи от горячего к холодному теплоносителю определяется по соотношению:

где , – коэффициенты теплоотдачи в трубном и межтрубном пространстве;

и – термические сопротивления загрязнений на внутренней и наружной поверхности теплообменных труб;

 – толщина стенки теплообменных  труб кожухотрубных ТА (от 1,5 до 3 мм). Примем  м.

 – коэффициент теплопроводности стенки теплообменных труб.

α_тр=1500 Вт/(м²К); α_мтр=500 Вт/(м²К); м²К/Вт; м²К/Вт;

 м²К/Вт.

 Вт/(м²К)

В итоге  площадь поверхности теплообмена  ТА:

м²

 

2) Предварительный выбор ТА по  каталогу.

а) Выбираем теплообменник с плавающей головкой.

б) По значениям  вязкости теплоносителей и термических  загрязнений направляем воду в трубное, а мазут в межтрубное пространство.

в) По диапазону площадей проходных сечений трубного и межтрубного пространства, а также по величине расчётной площади поверхности теплообмена, предварительно выбираем следущий ТА.

 

Характеристики  ТА:

Диаметр кожуха, мм		Наруж. диам. труб dн, мм	Число ходов по трубам nx	Площадь проходного сечения f·10-2, м2			Площ. пов. теплооб F, м2
Наруж.	Внут.			Одного хода по тр. fтр	В вырезе перегородки fв.п.	Между перегородками fм.п.	Длина тр. l=6000 мм.
-	1400	20	4	8,4	17,9	30	693

 

3) Рассчитаем коэффициенты теплоотдачи от горячего теплоносителя к стенке α₁ и от стенки к холодному теплоносителю α₂.

Коэффициент теплоотдачи в трубном  пространстве:

Re, Pr, Gr – числа подобия теплоносителя, движущегося в теплообменных трубах ТА, при средней арифметической температуре потока; Pr_c – число Прандтля теплоносителя, движущегося в теплообменных трубах ТА, при средней температуре стенки тубы; λ_тр – коэффициент теплопроводности теплоносителя, движущегося в теплообменных трубах ТА.

Средняя скорость теплоносителя в трубном пространстве выбранного стандартного ТА:

 м/с

При Re=23411 → С=0,021; j=0,8; y=0,43; i=0.

При θ_m=79 ˚C → Pr_c=2,21 (для воды)

В итоге α_тр=2579 Вт/м²К

 

Коэффициент теплоотдачи в межтрубном пространстве:

Nu, Re, Pr –числа подобия для теплоносителя, движущегося в межтрубном пространстве ТА, при средней арифметической температуре потока.

Средняя скорость теплоносителя в  межтрубном пространстве выбранного стандартного ТА:

 м/с

Выберем расположение труб в пучке  виде квадрата.

При Re=102 → C₁=0,71; C=0,658; m=0,5; n=0,36.

z_n=42 → C_z=1.

При θ_m=79 ˚C → Pr_c=450 (для мазута)

В итоге Nu=55,72, а

α_мтр=351 Вт/м²К

 

4) Определим коэффициент  теплопередачи, водяной эквивалент  и площадь поверхности теплообмена  ТА.

k=154,36 Вт/м²К

 м²

Оставляем тот же аппарат.

 

 

 

 

III. Проверочный тепловой расчёт.

1) Определяем фактическую тепловую мощность выбранного ТА Q.

Воспользуемся формулой Н.И.Белоконя:

В итоге  Вт

 

2) Рассчитаем действительные  конечные температуры теплоносителей ( , ).

˚С

˚С

Погрешности найденных температур:

Погрешность тепловой мощности:

 

IV. Гидравлический расчёт.

1) Рассчитаем падения давления горячего и холодного теплоносителей в ТА.

 Падение давления в трубном пространстве.

ΔP_п.тр – падение давления, обусловленное потерями на трение; ΔP_м.с. – падение давления, обусловленное местными сопротивлениями; ΔP_нив – падение давления, обусловленное изменение центра тяжести потока; ΔP_уск – падение давления, обусловленное ускорением потока теплоносителя.

Re>2300 →  Вт/м²К

Па

ζ_вх= ζ_вых=1 – коэффициенты местных сопротивлений на входе и выходе из трубного пространства; ζ_n=2,5 – коэффициент местных сопротивлений в промежуточной камере при переходе потока из одной секции трубного пространства в другое (поворот потока на 180˚).

Па

При использовании горизонтального  ТА ΔP_нив=0.

Па

ΔP_тр=1532+306+1920=3758 Па

 

 

 

 

 

Падение давления в межтрубном пространстве.

ΔP_п – падение давления при поперечном омывании пучка труб между перегородками; ΔP_в.п – падение давления в окнах сегментных перегородок; ΔP_в.к – падение давления во входной и выходной секциях межтрубного пространства.

ΔP_по – падение давления при обтекании идеального пучка труб поперечным потоком.

При Re=102 → b₁=3,5; b₂=-0,476; b₃=6,59; b₄=0,52;

Шаг труб в трубном пучке  t=26·10^-3 м. Число рядов труб, омываемых поперечным потоком z_n=40. Число сегментных перегородок N_пер=8.

В итоге  Па

Поправочный коэффициент x₁ – учитывает влияние на падение давления теплоносителя межтрубном пространстве потоков, проходящих в зазорах между трубами, отверстиями в перегородках, между кожухом и сегментными перегородками.

r₁=0,144; r₂=0,166 – определяющие параметры конструкции.

Поправочный коэффициент x₂ – учитывает байпасные потоки.

r₃=0,128; r₄=0.

В итоге ΔP_п=536 Па

 – число рядов труб, пересекаемых  перегородкой.

 

l^’=0,6 м – шаг перегородок.

м

В итоге  Па

ζ_вх=1,5; ζ_вых=1 – коэффициенты местных сопротивлений на входе и выходе из межтрубного пространства.

В итоге  Па

Для межтрубного пространства горизонтального  ТА ΔP_уск и ΔP_нив не берут в расчёт.

ΔP_мтр=7214+536+2026+101=9877 Па

 

2) Определить мощности привода насосов.

Вт

Вт

Эффективные мощности привода насосов:

Вт

η_ов=0,8 – относительный внутренний кпд перекачивающих устройств.

η_м=0,95 – механический кпд перекачивающих устройств.

Вт

Коэффициент эффективности ТА:

V. Графическая часть.

Схема ТА:

 

 

 

 

 

 

 

 

Схема движения теплоносителей и положение перегородок в распределительной камере и задней крышке ТА:

Число ходов по трубам	Распределительная камера	Задняя крышка
4