Тепловой и гидравлический расчет теплообменах аппаратов

0
...

Оглавление
Введение 2
Исходные данные 6
Конструктивный тепловой расчёт. 7
Поверочный тепловой расчет 13
Гидравлический расчет теплообменного аппарата 14
Температурная диаграмма теплоносителей для выбранного теплообменного аппарата 15
Кожухотрубчатый теплообменник 16
Список использованной литературы 18

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.

5. Предварительный выбор теплообменного аппарата по каталогу.
По диапазону площадей проходных сечений трубного и межтрубного пространства, а также по величине расчётной площади поверхности теплообмена, предварительно выбираем следующий ТА.
F = 233 м2 [1,c.56]
L = 6000 мм
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
6
2,0
6,5
7,0
6.Определение коэффициента теплоотдачи от горячего теплоносителя к стенке α1.
По значениям вязкости теплоносителей и термических загрязнений направляем нефть в трубное, а мазут в межтрубное пространство.
Коэффициент теплоотдачи в трубном пространстве αтр находится по формуле:
[1,c.73]
где Re, Pr, Gr – числа подобия нефти при средней температуре потока;
λтр – коэффициент теплопроводности нефти.
≈ 1, поэтому этой величиной можно пренебречь.
Средняя скорость мазута в трубном пространстве тр, необходимая для определения числа Рейнольдса, рассчитывается по формуле:
[1,c.29]
где Gтр , тр – массовый расход и плотность нефти;
ƒтр – площадь проходного сечения одного хода по трубам выбранного стандартного ТА
м/с
Число Рейнольдса рассчитывается по формуле:

Режим ламинарный.
Число Грасгофа:
Коэффициент Pr для нефти при tcр неф.=57,5 ºС: Pr=75, значит Gr*Pr = 97939,7*75 = 7345476 > 80 000
Из таблицы определяем следующие константы: C=0,15; j=0,33; y=0,43; i=0,1;
Вт/(м2∙К)
7.Определение коэффициента теплоотдачи от стенки к холодному теплоносителю α2
Коэффициент теплоотдачи в межтрубном пространстве αмтр находится по формуле:
[1,c.29]
где Re, Pr, Gr – числа подобия мазута при средней температуре потока;
λмтр – коэффициент теплопроводности мазута.
≈ 1, поэтому этой величиной можно пренебречь.
сz – учитывает зависимость среднего коэффициента теплоотдачи в межтрубном пространстве от числа рядов труб в пучке, омываемых в поперечном направлении Zn, Zn=16 [1,c.81] => сz=1 [1,c.32];
с=0,640 [1,c.81]
Средняя скорость нефти в межтрубном пространстве мтр, необходимая для определения числа Рейнольдса, рассчитывается по формуле:
[1,c.31]
где Gмтр , мтр – массовый расход и плотность нефти;
ƒв.п., ƒв.п – площадь проходного сечения в вырезе перегородки и между перегородками в межтрубном пространстве выбранного стандартного ТА
м/с
Число Рейнольдса рассчитывается по формуле:

Режим ламинарный.
Число Грасгофа:
Коэффициент Pr для нефти при tcр неф.=57,5 ºС: Pr=75, значит Gr*Pr = 143679*100 = 14367900 > 80 000
Из таблицы определяем следующие константы: C=0,15; j=0,33; y=0,43; i=0,1;
Выбираем из графика для мазута при
Режим ламинарный: с1=0,71; m=0,5; n=0,36 [1,c.32]
Вт/(м2∙К)
8. Определение дополнительных термических сопротивлений стенки трубы и загрязнений.
Выберем сталь Х18Н9(ЭЯ1)
толщина стенки δст = 2 мм
коэффициент теплопроводности стали λст=16,3 Вт/(м∙К)
термические сопротивления загрязнений:
для мазута Rз тр = 29∙10-4 (м2∙К)/Вт
для мазута Rз мтр = 29∙10-4 (м2∙К)/Вт
9. Определение коэффициента теплопередачи и водного эквивалента поверхности нагрева.
Коэффициент теплопередачи:

Вт/(м2∙К)
м2
Итоговый выбор ТА по каталогу.
F = 233 м2 [1,c.56]
L = 6000 мм
Диаметр кожуха, мм
Наружный диаметр труб dн, мм
Число ходов по трубам nx
Площадь проходного сечения ƒ∙102, м2
Наружный
Внутренний