Тепловой и гидравлический расчет теплообменных аппаратов

Техническое задание 4
1. Введение. Классификация теплообменных аппаратов. 5
2. Конструктивный тепловой расчет 9
2.1. Определение неизвестной температуры 9
2.2. Определение теплофизических свойств горячего и холодного теплоносителей 9
2.3. Определение мощности теплообменного аппарата Q по исходным данным 10
2.4. Определение средней разности температур между теплоносителями 10
2.5. Определение оптимального диапазона площадей проходных сечений трубного пространства ТА: 10
2.6. Определение минимального индекса противоточности Рmin ТА 11
2.7. Определение водяного эквивалента 11
2.8. Предварительный выбор теплообменного аппарата по каталогу. 12
2.9. Расчет коэффициентов теплоотдачи от горячего теплоносителя к стенке α1 и от стенки к холодному теплоносителю α2 , термических сопротивлений стенки трубы и загрязнений . 12
2.10. Окончательный выбор теплообменника 16
3. Проверочный тепловой расчет теплообменного аппарата 17
3.1. Определение фактической тепловой мощности выбранного аппарата: 17
3.2. Определение действительные температуры теплоносителей на выходе теплообменного аппарата: 18
4. Гидравлический расчет теплообменного аппарата 19
5. Графическая часть 23
5.1. Температурная диаграмма теплоносителей 23
5.2. Схема теплообменного аппарата 24
Список используемой литературы 25

В процессах нефте- и газопереработки для обеспечения необходимой температуры в аппаратах требуется подводить и отводить тепло. Для этого на технологических установках широко используются специальные аппараты, называемые теплообменными или теплообменниками.
В аппаратах, предназначенных для нагрева или охлаждения, происходит теплообмен между двумя потоками, при этом один из них нагревается, а другой охлаждается. Поэтому вне зависимости от того, что является целевым назначением аппарата: нагрев или охлаждение, их называют теплообменными аппаратами.
Применительно к нефтегазоперерабатывающей промышленности теплообменные аппараты классифицируются по способу передачи тепла и назначению.
В зависимости от способа передачи тепла аппараты делятся на следующие группы.
Поверхностные теплообменные аппараты, в которых передача тепла между теплообменивающимися средами осуществляется через поверхность, разделяющую эти среды.
Аппараты смешения, в которых передача тепла между теплообменивающимися средами происходит при их непосредственном контакте.
В зависимости от назначения аппараты делятся на следующие группы.
Теплообменники - в них один поток нагревается за счет использования тепла другого, получаемого в технологическом процессе и подлежащего в дальнейшем охлаждению.
Нагреватели, испарители, кипятильники - в них нагрев или частичное испарение осуществляется за счет использования высокотемпературных потоков нефтепродуктов или специальных теплоносителей (водяной пар, масло и др.).
Холодильники и конденсаторы - они предназначены для охлаждения потока или конденсации паров с использованием специального охлаждающего агента (вода, воздух, испаряющийся аммиак, пропан и др.).
Кристаллизаторы предназначены для охлаждения соответствующих жидких потоков до температур, обеспечивающих образование кристаллов некоторых составляющих смесь веществ. В качестве охлаждающего агента используются вода или специальные хладагенты в виде охлажденных рассолов, испаряющихся аммиака, пропана и др.
В зависимости от характера направления потоков теплообменные аппараты делятся на прямоточные, противоточные, смешанного и перекрестного тока.
Теплообменные аппараты типа «труба в трубе» по конструкции делятся на однопоточные (неразборные и разборные) и многопоточные.
Во многих случаях аппараты типа «труба в трубе» работают с более высокими тепловыми показателями, чем кожухотрубчатые теплообменники.
В теплобменных аппаратах разборной конструкции внутренние трубы в ряде случаев с наружной поверхности выполняются с оребрением, позволяющим в 4-5 раз увеличить их поверхность теплообмена. Оребрение внутренних труб используют, как правило, в тех случаях, когда со стороны одной из теплообменивающихся сред трудно обеспечить высокий коэффициент теплоотдачи (движется газ, вязкая жидкость, поток имеет ламинарный характер и т.п.).
Для повышения эффективности теплообмена в трубном пространстве используют методы воздействия на поток устройствами, разрушающими и турбулизирующими движение потока в трубе.
Недостатками теплообменных аппаратов типа «труба в трубе» по сравнению с кожухотрубчатыми аппаратами являются большие габариты, а также более высокий расход металла на единицу поверхности нагрева.
Теплообменные аппараты типа «труба в трубе» жесткой конструкции, так же как и кожухотрубчатые с неподвижными решетками, используются при сравнительно небольшой разности температур теплообменивающихся сред и при теплообмене незагрязненных жидкостей.
В теплообменных аппаратах типа «труба в трубе» разборной конструкции сравнительно легко очищаются внутренняя и наружная поверхности труб; эти аппараты обладают высоким коэффициентом теплопередачи и являются надежными в эксплуатации.
Кристаллизатор типа «труба в трубе» предназначен для получения и роста кристаллов, поэтому в аппарате должен быть обеспечен оптимальный тепловой и гидродинамический режим. В кристаллизаторах по внутренней трубе движется охлаждаемый раствор масла, а по кольцевому пространству - охлаждающая среда. Во избежание отложения парафина на внутренней поверхности трубы кристаллизаторы снабжены вращающимся валом со скребками, удаляющими парафин. Это необходимо, чтобы повысить эффект теплообмена.
В последнее время все более широкое применение находят поверхностные теплообменники из листового материала, главным образом спиральные и пластинчатые.
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.

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