МИНОБРНАУКИ РОССИИ
РГУ НЕФТИ И ГАЗА (НИУ) ИМЕНИ И.М. ГУБКИНА
Факультет
Кафедра
Проектирования сооружения и эксплуатации систем трубопроводного транспорта
Термодинамики и тепловых двигателей
Оценка комиссии:
Подписи членов комиссии:
Рейтинг:
(подпись)
(фамилия, имя, отчество)
(подпись)
(фамилия, имя, отчество)
(дата)
КУРСОВАЯ РАБОТА
по дисциплине
на тему
Техническая термодинамика и теплотехника
Тепловой расчёт теплообменного аппарата
ВЫПОЛНИЛ:
Студент группы
(номер группы)
(фамилия, имя, отчество)
(подпись)
(дата)
Москва 2019
МИНОБРНАУКИ РОССИИ
РГУ НЕФТИ И ГАЗА (НИУ) ИМЕНИ И.М. ГУБКИНА
Факультет проектирования, сооружения и эксплуатации систем трубопроводного транспорта
Кафедра
термодинамики и тепловых двигателей
ЗАДАНИЕ НА КУРСОВУЮ РАБОТУ
по дисциплине
на тему
Тепловой расчет теплообменных аппаратов
ДАНО студенту
группы
(фамилия, имя, отчество в дательном падеже)
(номер группы)
Содержание работы:
Введение. Классификация теплообменных аппаратов.
Конструктивный тепловой расчет.
1. Определение:
 теплофизических свойств горячего и холодного теплоносителей
(cpm ,  ,  ,  , Pr),
 мощности теплообменного аппарата Q по исходным данным,
 средней разности температур между теплоносителями m ,
 оптимального диапазона площадей проходных сечений (f1 , f2) и
минимального индекса противоточности Pmin ТА,
 водяного эквивалента kF и площади поверхности F теплообмена
теплообменного аппарата.
2. Предварительный выбор теплообменного аппарата по каталогу.
3. Расчет коэффициентов теплоотдачи от горячего теплоносителя к
стенке 1 и от стенки к холодному
теплоносителю 2 , термических сопротивлений стенки трубы и загрязнений М.: МПА-ПРЕСС 2006.
4. Определение коэффициента теплопередачи, водяного эквивалента и
площади поверхности теплообмена ТА.
5. Выбор теплообменного аппарата по каталогу.
III Проверочный тепловой расчет.
1. Определение фактической тепловой мощности выбранного теплоI
II
2
обменного аппарата Q.
2. Расчет действительных конечные температуры теплоносителей (
).
,
Исходные данные для выполнения работы:
1. Горячий теплоноситель –
Характеристики теплоносителя: G1 =
кг/с; t1, 
o
c ; t1,, 
o
c
2.
Холодный теплоноситель –
Характеристики теплоносителя: G2 =
кг/с; t 2, 
o
c ; t 2,, 
o
c
3.
Тип теплообменного аппарата (ТА):
Рекомендуемая литература:
1. Калинин А.Ф. Расчет и выбор конструкции кожухотрубного теплообменного аппарата. – М.: РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2002.
2. Калинин А.Ф., Купцов С.М. Домашние задания по теплотехнике. Часть II
«Теплопередача»– М.: РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2002.
3. Трощин А.К., Купцов С.М., Калинин А.Ф. Термодинамические и теплофизические свойства рабочих тел теплоэнергетических установок. М.:
МПА-ПРЕСС 2006.
4. Калинин А.Ф.,Купцов С.М., Лопатин С.А., Шотиди К.Х. Термодинамика
и теплопередача. – М.: РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2016.
Графическая часть:
IV Графическая часть курсовой работы включает в себя схему ТА и температурную диаграмму теплоносителей.
Руководитель:
(уч.степень)
(должность)
(подпись)
Задание принял к исполнению: студент
(подпись)
3
(фамилия, имя, отчество)
(фамилия, имя, отчество)
Оглавление
I. Введение. Классификациятеплообменных аппаратов ………………………...5
II. Конструктивный тепловой расчёт…………………………………………...17
1. Определение…………………………………………………………………17
а) теплофизических свойств горячего и холодного теплоносителей (сpm, λ,
ν, ρ, Pr)………………………………………………………………………………15
б) мощности Q теплообменного аппарата по исходным данным……...15
в) средней разности температур между теплоносителями θm………….16
г) оптимального диапазона площадей проходных сечений (f1, f2) и
минимального индекса противоточности P ТА………………………………...16
д) водяного эквивалента kF и площади поверхности F теплообмена ТА..17
2. Предварительный выбор ТА по каталогу…………………………………21
3. Расчет коэффициентов теплоотдачи от горячего теплоносителя к стенке α1
и от стенки к холодному теплоносителю α2, термических сопротивлений стенки
трубы и загрязнений………………………………………………………………….24
4. Определение коэффициента теплопередачи и расчетной площади
теплообменного аппарата Fрас, м2…………………………………………………..24
5. Окончательный выбор ТА…………………………………………………24
III. Проверочный тепловой расчёт……………………………………………..25
1.Определение
фактической
тепловой
мощности
выбранного
теплообменного аппарата……………………………………………………………25
2.Расчет действительных конечных температур теплоносителей………..25
IV. Графическая часть……………………………………………………………27
V. Список используемой литературы……………………………………………29
4
1.Введение. Классификация теплообменных аппаратов
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. Кожухотрубный аппарат представляет из себя пучок теплообменных труб, находящихся в цилиндрическом корпусе (кожухе). Один из теплоносителей движется внутри теплообменных труб, а другой омывает поверхность труб. Концы труб закрепляются с
помощь вальцовки, сварки или пайки в трубных решетках. В кожух теплообменного
аппарата с помощью дистанционных трубок устанавливаются перегородки. Перегородки поддерживают трубы от провисания и организуют поток теплоносителя в
межтрубном пространстве, интенсифицируя теплообмен. К кожуху теплообменного
аппарата привариваются штуцеры для входа и выхода теплоносителя из межтрубного пространства.
Применительно к нефтегазоперерабатывающей промышленности теплообменные аппараты классифицируются по способу передачи тепла и назначению.
В зависимости от способа передачи тепла аппараты делятся на следующие
группы:
o Поверхностные теплообменные аппараты, в которых передача тепла между
теплообменивающимися средами осуществляется через поверхность, разделяющую эти среды.
o Аппараты смешения, в которых передача тепла между теплообменивающимися средами происходит при их непосредственном контакте.
В зависимости от назначения аппараты делятся на следующие группы.
o Теплообменники - в них один поток нагревается за счет использования тепла
другого, получаемого в технологическом процессе и подлежащего в дальнейшем охлаждению.
o Нагреватели, испарители, кипятильники - в них нагрев или частичное испарение осуществляется за счет использования высокотемпературных потоков
нефтепродуктов или специальных теплоносителей (водяной пар, масло и др.).
o Холодильники и конденсаторы - они предназначены для охлаждения потока
или конденсации паров с использованием специального охлаждающего агента
(вода, воздух, испаряющийся аммиак, пропан и др.).
o 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.
Поверхностные теплообменные аппараты классифицируются в зависимости
от их конструкции. К их числу относятся следующие:
o Кожухотрубчатые теплообменные аппараты с неподвижными трубными
решетками (рис. 1).
Рис. 1. Кожухотрубчатый теплообменник с неподвижными трубными решетками:
1 - распределительная камера; 2 - кожух; 5 - теплообменная труба; 4 - поперечная
перегородка; 5 - трубная решетка; б - крышка кожуха; 7 - опора
6
В зависимости от числа перегородок в распределительной камере кожухотрубчатые теплообменные аппараты делятся на:
 одно-, двух- и многоходовые в трубном пространстве;
 аппараты многоходовые
в межтрубном
пространстве
с
продольными
перегородками;
 аппараты
с
поперечными
перегородками
сегментными,
секторными,
кольцевыми и др.
Теплообменники этого типа применяют при разнице температур теплообменивающихся сред, проходящих через трубки и межтрубное пространство, не более 50°
и при сравнительно небольшой длине аппарата.
Достоинством аппаратов этого типа является простота конструкции и, следовательно, меньшая стоимость.
В зависимости от расположения теплообменных труб различают теплообменные
аппараты горизонтального и вертикального типа.
o Кожухотрубчатые теплообменные аппараты с плавающей головкой (с подвижной трубной решеткой) являются наиболее распространенным типом поверхностных аппаратов (рис.2). Подвижная трубная решетка позволяет трубному пучку свободно перемещаться независимо от корпуса.
Рис. 2. Кожухотрубчатый теплообменник с плавающей головкой:
1 - крышка распределительной камеры; 2 - распределительная камера; 3 - неподвижная трубная решетка; 4 - кожух; 5 - теплообменная труба; 6 - поперечная перегородка; 7 - подвижная трубная решетка;
7
8 - крышка кожуха; 9 - крышка плавающей головки; 10 - опора; 11 - катковая опора
трубчатого пучка
По кожуху (межтрубному пространству) аппараты с плавающей головкой чаще всего выполняют одноходовыми. В аппаратах с двумя ходами по корпусу устанавливают продольную перегородку, что обеспечивает противоток потоков.
o Кожухотрубчатые теплообменные аппараты с температурным компенсатором. В этих аппаратах для частичной компенсации температурных напряжений используют специальные гибкие элементы (расширители, компенсаторы), расположенные на корпусе. Вертикальный кожухотрубчатый испаритель
с неподвижными трубными решетками (рис. 3) отличается установкой между
двумя частями кожуха 4 линзового компенсатора 3.
Рис. 3. Вертикальный кожухотрубчатый испаритель с неподвижными трубными решетками и температурным компенсатором на корпусе:
1 - распределительная камера; 2 -трубные решетки; 3 - компенсатор; 4 -кожух; 5 опора; 6- теплообменная труба; 7 - поперечная «сплошная» перегородка; 9 - крышка.
Потоки: I -испаряющаяся среда; II - конденсат; III - парожидкостная смесь; IV - водяной пар.
8
В аппаратах подобного типа используют одно- и многоэлементные линзовые
компенсаторы
o Кожухотрубчатые теплообменники с U-образными трубками (см. рис. 4)
имеют одну трубную решетку, в которую ввальцованы оба конца U-образных
трубок, что обеспечивает свободное удлинение трубок при изменении их температуры. Преимущество теплообменников с U-образными трубками - отсутствие разъемного соединения внутри кожуха, что позволяет успешно применять их при повышенных давлениях. Недостатком таких аппаратов является
трудность чистки внутренней и наружной поверхности труб, вследствие которой они используются преимущественно для чистых продуктов.
Рис. 4. Кожухотрубчатый теплообменник с U-образными трубками:
1 - распределительная камера; 2 - трубная решетка; 3 - кожух; 4 - теплообменная
труба; 5 - поперечная перегородка; 6 - крышка кожуха; 7 - опора; 8 - катковая опора
трубчатого пучка
o Кожухотрубчатые теплообменные аппараты с двойными трубками. В таких аппаратах имеются две трубные решетки, размещенные с одной стороны
аппарата. В одной трубной решетке развальцованы трубы меньшего диаметра,
верхние концы которых открыты, в другой трубы большего диаметра, нижние
концы которых заглушены. Такая конструкция обеспечивает
удлинение труб.
9
независимое
o Кожухотрубчатые теплообменные аппараты с витыми трубками используют в нефтегазопереработке для теплообмена между средами, одна из которых находится под высоким давлением.
Эффективность кожухотрубчатых теплообменных аппаратов повышается с увеличением скорости движения теплообменивающихся потоков и степени их турбулентности. Для повышения скорости движения потоков в межтрубном пространстве
и обтекаемости поверхности теплообмена, создания большей турбулентности потоков и организации движения теплоносителя в направлении перпендикулярном к оси
труб, в кожухотрубчатых теплообменных аппаратах устанавливают специальные
поперечные перегородки. Они выполняют также роль опор трубчатого пучка, фиксируют трубы на заданном расстоянии одна от другой и уменьшают вибрацию труб.
На рис. 5 показаны поперечные перегородки разных типов. Наибольшее распространение получили сегментные перегородки (см. рис. 5, а). Высота вырезаемого
сегмента равна примерно 1/3 диаметра аппарата, а расстояние между перегородками
- около 0,5 диаметра аппарата. Поперечные перегородки с секторным вырезом (см.
рис. 5, б) оснащены дополнительной продольной перегородкой, равной по высоте
половине диаметра аппарата. Секторный вырез, по площади равный четверти сечения аппарата, располагают в соседних перегородках в шахматном порядке. При этом
теплоноситель в межтрубном пространстве совершает вращательное движение то по
часовой стрелке, то против нее.
10
Рис 5. Поперечные перегородки кожухотрубчатых аппаратов:
а-с сегментным вырезом; б- с секторным вырезом; в - кольцевые; г - с щелевым вырезом; д - «сплошные»
Аппараты со «сплошными» перегородками (см. рис. 5, д) используют обычно
для чистых жидкостей. В этом случае жидкость протекает по кольцевому зазору
(около 1,5 мм) между трубой и перегородкой,
В зависимости от характера направления потоков теплообменные аппараты
делятся на прямоточные, противоточные, смешанного и перекрестного тока.
o Теплообменные аппараты типа «труба в трубе» по конструкции делятся на
однопоточные (неразборные и разборные) и многопоточные.
Теплообменный аппарат типа «труба в трубе» (рис. 6)
р
ис. 6
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.).
11
Рис. 7. Разборный многопоточный теплообменный аппарат типа «труба в трубе»:
1 - первая распределительная камера; 2 - решетка теплообменных труб; 3 - вторая
распределительная камера; 4 - решетка кожуховых труб; 5 - опора; 6 - теплообменная труба; 7 - кожуховая труба;
8 - поворотная камера; 9 - двойник
Для повышения эффективности теплообмена в трубном пространстве используют методы воздействия на поток устройствами, разрушающими и турбулизирующими движение потока в трубе. Это различного рода турбулизирующие вставки, варианты исполнения которых представлены на рис. 8
Рис. 8. Трубы с турбулизаторами:
а - шнековые завихрители; б - ленточные завихрители; в - диафрагмовые трубы с
вертикальными канавками; г - диафрагмовые трубы с наклонными канавками; д трубы со спиральной проволокой;
е - турбулизатор фирмы "Sulzer"
12
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.
o Спиральные теплообменники имеют поверхность теплообмена 10-100 м2,
они работают как под вакуумом, так и при давлении до 1 МПа при температуре рабочей среды от -20 до +200 °С. В этих аппаратах может осуществляться
теплообмен между рабочими средами жидкость-жидкость, газ-газ и газжидкость, а также могут конденсироваться пары и парогазовые смеси.
Рис. 9. Спиральный теплообменник:
13
а - общий вид; б - уплотнение с торцов лент в аппаратах с тупиковыми каналами; в уплотнение с торцов лент в аппаратах со сквозными каналами; 1,2 - ленты, свернутые в спираль; 3 - крышка; 4 - прокладка; 5 - дистанционные проставки.
Различают спиральные теплообменники с тупиковыми и сквозными каналами.
Достоинством спиральных теплообменников является компактность, легкость
создания высоких скоростей движения теплообменивающихся сред и, как следствие,
более высокие тепловые показатели (коэффициент теплопередачи, тепловая напряженность).
К недостаткам аппаратов этой конструкции относятся сложность изготовления
и трудность обеспечения плотности соединений.
o Пластинчатые теплообменники представляют собой аппараты, поверхность
которых образована набором тонких штампованных пластин с гофрированной
поверхностью. Их различают по степени доступности поверхности теплообмена для осмотра и механической чистки на разборные, разборные со сдвоенными пластинами (полуразборные) и неразборные сварные или паяные. В
пластинчатых теплообменниках можно осуществить теплообмен между рабочими средами жидкость-жидкость, пар-жидкость, пар + газ - жидкость, газжидкость, газ-газ при давлении до 4 МПа, при температуре рабочей среды от 100 до +300 °С. Пластинчатые теплообменники могут применяться для теплообмена между тремя, четырьмя и большим числом сред в одном аппарате.
Наиболее широко применяют разборные пластинчатые теплообменники (рис.
10), в которых гофрированные пластины 2 отделены одна от другой прокладками 3.
14
Рис. 10. Схема разборного пластинчатого теплообменника:
1 - неподвижная плита 2 - гофрированные пластины; 3 - прокладки; 4 – нажимная
плита
Потоки: I - горячий теплоноситель; II - нагреваемый теплопродукт.
o Погружные аппараты. Специфической особенностью аппаратов этого типа
является наличие емкости-ящика, в которую погружены теплообменные трубы. В ящике находится охлаждающая среда, например вода. Аппараты этого
типа
используют
в
качестве
холодильников
или
конденсаторов-
холодильников.
Различают змеевиковые и секционные аппараты. Принципиальное устройство однопоточного погружного конденсатора-холодильника показано на рис. 11
Рис.
11.
Схема однопоточного погружного змеевикового конденсатора-
холодильника:
Потоки: I - холодная вода; II –пары нефтепродукта. III – нагретая вода. IV - охлажденный нефтепродукт.
К недостаткам аппаратов подобного типа относятся их громоздкость и повышенный расход металла. Кроме того, в ящике велико свободное сечение для прохода воды, вследствие чего скорость движения воды мала и относительно малы коэффициенты теплоотдачи от стенок змеевика к воде.
o Аппараты воздушного охлаждения (АВО). Широкое распространение в
промышленности получили аппараты воздушного охлаждения, в которых в
качестве охлаждающего агента используется поток атмосферного воздуха,
нагнетаемый специально установленными вентиляторами.
15
Использование аппаратов этого типа позволяет осуществить значительную
экономию охлаждающей воды, уменьшить количество сточных вод, исключает
необходимость очистки наружной поверхности теплообменных труб. Эти аппараты
используются в качестве конденсаторов и холодильников.
o Теплообменные аппараты смешения. В теплообменных аппаратах смешения тепло передается от одной среды к другой путем непосредственного контакта теплообменивающихся потоков. Такой метод передачи тепла позволяет
значительно сократить расход металла на изготовление аппаратов. Однако
применять этот способ можно только в тех случаях, когда допустимо смешение потоков. Например, воду можно нагреть за счет использования тепла водяного пара при их прямом смешении; тепло, выделяемое конденсирующимся
паром, непосредственно воспринимается водой. Применение поверхностного
аппарата в таких случаях является неоправданным.
Теплообменные аппараты смешения классифицируются по следующим основным признакам.
 В зависимости от агрегатного состояния смешиваемых потоков теплообмен
может осуществляться между средами, находящимися в парообразном (газообразном), жидком или твердом состоянии.
 В зависимости от способа смешения потоков оно может быть одно- или многоступенчатым при прямоточном или противоточном движении смешивающихся сред.
 В зависимости от внутреннего устройства, обеспечивающего смешение, аппараты могут быть со специальными распиливающими и распределительными
устройствами; каскадные, снабженные специальными полками или перегородками (способствующими смешению); насадочные, в которых контакт происходит в основном на поверхности насадки.
16
2. Конструктивный тепловой расчет
2.1.
Определение теплофизических свойств теплоносителей
Для удобства использования еще раз повторим представленные в задании исходные данные:
Таблица 1 – Исходные данные
Показатель
Теплоноситель
Масло АМГ
Вода
Массовый
расход, G, кг/с
6
3
Температура на
входе в ТА, t’, °C
110
18
Температура на выходе из ТА t”, °C
53
1. Определение неизвестной температуры и теплофизических свойств горячего и
(С рт ,  ,  ,  , pr )
холодного теплоносителей
.
Найдём среднюю температуру холодного носителя (вода)
хол
хол
𝑡вх
+ 𝑡вых
18 + 53
=
=
= 35,5℃
2
2
(4174 − 4174)(35,5 − 30)
𝑐𝑝𝑚 (35,5) = 4174 +
= 4174 Дж/(кг ∗ К)
40 − 30
хол
𝑡ср
гор
Чтобы найти t вых и среднюю температуру горячего теплоносителя (масло АМГ), используем итерационный метод:
гор
Пусть 𝑡вых = 100℃, тогда:
гор
гор
𝑡ср
гор
𝑡вх + 𝑡вых 110 + 100
=
=
= 105℃
2
2
𝑐𝑝𝑚 (105) = 2245 +
(2295 − 2245)(105 − 110)
= 2270 Дж/(кг ∗ К)
110 − 100
гор
По уравнению теплового баланса находим 𝑡вых :
гор
гор
гор
хол (t хол
хол
Q1 η = Q 2 ; Gгор cpm (t вх − t вых )η = Gхол cpm
вых − t вх )
Коэффициент тепловых потерь должен быть в пределах 0,95-0,98.
Пусть коэффициент тепловых потерь η будет равен 0,97.
17
Тогда:
гор
гор
𝑡вых = 𝑡вх −
гор
𝑡ср =
хол (𝑡 хол −𝑡 хол )
𝐺хол 𝐶𝑝𝑚
вых вх
гор
𝐺гор 𝑐𝑝𝑚 𝜂
гор
𝑡вых = 110 −
гор
гор
=110-
438270
13211,4
= 76,83℃
(2245 − 2195)(93,415 − 90)
= 2212,08Дж/(кг ∗ К)
100 − 90
6∗2212,08∗0.97
= 75,96℃
110 + 75,96
= 92,98℃
2
𝑡вых = 110 −
𝑡ср =
6∗2270∗0,97
438270
𝑐𝑝𝑚 (92,98) = 2195 +
гор
3∗4174∗35
110 + 76,83
= 93,415℃
2
𝑐𝑝𝑚 (93,415) = 2195 +
𝑡ср =
=110-
(2245 − 2195)(92,98 − 90)
= 2209,9Дж/(кг ∗ К)
100 − 90
438270
6∗2209,9∗0.97
= 75,92℃
110 + 75,92
= 92,96℃
2
|75,96-75,92| = 0,04 < 0,5
Т.к. разница между двумя последовательно найденными температурами меньше
гор
0,5℃, то 𝑡вых = 75,92℃
Далее в таблице приведены свойства теплоносителей.
Таблица 2 - Данные графиков П-1.2, П-1.3, П-1.4, П-1.6 работы [2])
Показатель Удельная мас- Коэффици- Кинематиче- Плотность, Число
совая тепло- ент тепло- ский коэффиρ, кг/м3 Прандтля,
Теплоноёмкость, cpm, проводности циент вязкости,
Pr
-6 2
ситель
Дж/(кг∙К)
λ, Вт/(м∙К)
ν, 10 м /с
Масло АМГ
2209,9
0,1137
4,9928
769,08
71,116
(t=92,96 °C)
Вода
4174
0,6274
0,7247
993,775
4,8095
(t=35,5 °C)
Рассчитаем мощность теплообменного аппарата по исходным данным.
𝑄 = 𝜂G1 𝑐𝑝1,𝑚 (𝑡1′ − 𝑡1′′ ) = 𝐺2 𝑐𝑝2,𝑚 (𝑡2′′ − 𝑡2′ )
18
Q = 0,97*6*2209,8*(110-75,92)=438,27 кВт
Вычислим среднюю разность температур между теплоносителями 𝜃𝑚
𝜃𝑚 = 𝜃𝑚𝐿 =
𝜃1 − 𝜃2
𝜃
𝑙𝑛 1
𝜃2
𝜃1 = 𝑡1′ − 𝑡2′′ = 110 − 53 = 57 ℃
𝜃2 = 𝑡1′′ − 𝑡2′ = 75,92 − 18 = 57,92℃
𝜃𝑚 =
57 − 57,92
= 57,48 ℃
57
𝑙𝑛
57,92
Вычислим водяной эквивалент и минимальный индекс противоточности
𝑘𝐹 =
𝑄
𝜃𝑚
=
438,27
57,48
= 7625,332409 Вт/Кl
Найдем оптимальные диапазоны проходных сечений и минимальный индекс
противоточности Pmin:
f min 
G
f max 
   max ;
G
   min ,
где  max ,  min - соответственно максимальная и минимальная рекомендуемые
скорости потоков теплоносителей. Исходя из таблицы 6 [1], тр  (0,5  3,0) м/c для
воды и  м тр  (0,2  1,0) м/c для масла АМГ.
𝑓тр,𝑚𝑖𝑛 =
3
993,775∗3
𝑓мтр,𝑚𝑖𝑛 =
Pmin=
= 0,001006263 м2
6
769,08∗1
(110−18)(53−75,92)
(110−75,92)(53−18)
= 0,0078015 м2
𝑓тр,𝑚𝑎𝑥 =
𝑓мтр,𝑚𝑎𝑥 =
=-1,7678
19
3
993,775∗0,5
6
769,08∗0,2
= 0,0060375 м2
= 0,0390076 м2
Вычислим коэффициент теплопередачи от горячего к холодному теплоносителю
𝑘=
1
, где
1⁄𝛼𝑚𝑝 + (𝛿 ⁄λ)з.𝑚𝑝 + (𝛿𝑐𝑚 ⁄λ𝑐𝑚 ) + (𝛿 ⁄λ)з.м𝑚𝑝 + 1⁄𝛼м𝑚𝑝
коэффициенты теплоотдачи в трубном 𝑎𝑚𝑝 и межтрубном 𝑎м𝑚𝑝 пространстве и термические сопротивления загрязнений 𝑅3.𝑚𝑝 = (𝛿 ⁄λ)з.𝑚𝑝 ,
𝑅3.м𝑚𝑝 = (𝛿 ⁄λ)з.м𝑚𝑝 , на внутренней и наружной поверхности теплообменных
труб выбираются в пределах рекомендуемых диапазонов из справочных таблиц.
Из таблицы 1: 𝑎𝑚𝑝 =500 Вт/(м2·K)
𝑎м𝑚𝑝 =410 Вт/(м2·K)
Из таблицы 3: 𝑅3.𝑚𝑝 =0,0058 (м2·K)/ Вт
Из таблицы 3: 𝑅3.мтр =0,00058 (м2·K)/ Вт
Толщина стенки теплообменных труб кожухотрубных ТА 𝛿𝑐𝑚 составляет от 1,5 до 3,0 мм
Выбираем марку стали Сталь 08
Из таблицы 5: λ𝑐𝑚 =57,7 Вт/(м·K)
𝑘=
=
1
=
1
0,002
1
+ 0,0058 +
+ 0,00058 +
410
500
57,7
10000
= 92,467 Вт/(м ∗ К)
(20 + 58 + 0,3466 + 5,8 + 24,39)
Площадь поверхности теплообмена теплообменного аппарата рассчитываем по формуле:
𝐹расч =
𝑄
438,27
=
= 82,459 м2
𝑘 × 𝜃𝑚 92,467 × 57,48
На основании данных полученных выше, произведем выбор теплообменного
аппарата.
20
2.2.
Предварительный выбор теплообменного аппарата
К установке принимается кожухотрубный ТА с неподвижными трубными решетками. Вода вызывает коррозию в большей степени и имеет меньшую вязкость,
значит этот теплоноситель направляем в трубное пространство, масло АМГ же
направляем в межтрубное пространство.
Таблица 3 – Конструктивные характеристики выбранного ТА
Площадь поверхности
Диаметр коПлощадь проходного
теплообмена F1 (м2) при
Наруж. Число
-2 2
жуха, мм
сечения f·10 ,м :
длине труб l (мм)
диаметр ходов по
труб, трубам, одного в вырезе между
nx
Наруж. Внутр. dn, мм
хода по перего- перего4,000
тубам родки родками
630
R=
600
𝑡гр/вх−𝑡гр/вых
𝑡хл/вых−𝑡хл/вх
20
𝑡хл/вых−𝑡хл/вх
PS=
107−67
=
𝑡гр/вх−𝑡хл/вх
=
tгр/вх+𝑡гр/вых
Өma=
2
53−18
4
4,1
4,8
=0,9737
53−18
110−18
−
1,6
= 0,38043
𝑡хл/вх+𝑡хл/вых
2
110+75,92
=
2
−
18+53
Өд=ε∆t*Өm=0,99*57,48
21
2
= 57,46℃
84
Рис. 12. Зависимость εΔt от характеристик R и PS для четырехходовых (по
трубному пространству)
кожухотрубных теплообменных аппаратов
Өд=56,9052
∆T=20,2619℃
(∆tгор+∆tхол)−∆T2
P=
4∆tгор∗∆tхол
=
(|110−75,92|+|18−53|)2 −20,26192
4∗34,05∗35
22
= 0,9149
Уточним значения скоростей, в соответствии с выбранным ТА, и вычислим
числа Рейнольдса
𝜔мтр =
𝜔тр =
𝐺2
3
м
=
=
0,18867
𝜌к 𝑓тр 993,775 ∗ 1,6 ∗ 10−2
с
𝑅𝑒тр =
𝜔тр ∗ 𝑑в 0,18867 ∗ 0,016
=
= 4165,574721
𝜐в
0,7247 ∗ 10−6
𝐺1
𝜌м √𝑓вп∗ 𝑓мп
𝑅𝑒мтр
=
6
769,08√4,1 ∗ 10−2 ∗ 4,8 ∗ 10−2
= 0,17586
м
с
𝜔мтр ∗ 𝑑н 0,1412525644 ∗ 20 ∗ 10−3
=
=
= 704,454
𝜐м
3,219 ∗ 10−6
Коэффициент теплоотдачи в трубном пространстве:
𝛼тр
𝑃𝑟 0,25 𝜆тр
= 𝐶 ∗ 𝑅𝑒 ∗ 𝑃𝑟 ∗ 𝐺𝑟 ∗ ( )
∗
𝑃𝑟𝑐
𝑑в
𝑗
𝑦
𝑖
Re, Pr, Gr – числа подобия теплоносителя, движущегося в теплообменных трубах ТА, при средней арифметической температуре потока; 𝑃𝑟𝑐 – число Прандтля
теплоносителя, движущегося в теплообменных трубах ТА, при средней температуре
стенки трубы; 𝜆тр - коэффициент теплопроводности теплоносителя, движущегося в
теплообменных трубах ТА.
По
таблице
выбираем
значения
коэффициентов:
С = 12,9; 𝑗 = 0; 𝑦 = 0,43; 𝑖 = 0; 𝑃𝑟𝑐 = 2,798
0
𝛼тр = 12,9 ∗ 4165,57 ∗ 4,81
0,43
4,8095 0,25 0,6274
∗ 778128,5 ∗ (
∗
)
2,798
0,016
0
= 1137,96 Вт/(м2 К)
Коэффициент теплоотдачи в межтрубном пространстве:
0,25
𝛼мтр
𝜆 ∗ 𝑁𝑢 𝜆 ∗ 𝐶𝑧 ∗ 𝐶1 ∗ 𝑅𝑒 𝑚 ∗ 𝑃𝑟 𝑛 ∗ (𝑃𝑟ж ⁄𝑃𝑟𝑐 )
=
=
𝑑н
𝑑н
∗С
Nu, Re, Pr – числа подобия теплоносителя, движущегося в межтрубном пространстве ТА, при средней арифметической температуре потока.
23
По
таблице
выбираем
значения
коэффициентов:
𝐶1 = 0,71 ; 𝑚 = 0,5; 𝑛 = 0,36; 𝐶𝑧 = 1
0,25
𝛼мтр
0,1137 ∗ 1 ∗ 0,71 ∗ 704,4540,5 ∗ 71,1160,36 ∗ (71,116⁄113,12)
=
0,020
∗ 0,66
= 281,195 Вт/(м2 К)
Дополнительные тепловые сопротивления:
(𝛿 ⁄λ)з.𝑚𝑝 = 58 ∗ 10−4
(𝛿𝑐𝑚 ⁄λ𝑐𝑚 ) = 0,3466 ∗ 10−4
(𝛿 ⁄λ)з.м𝑚𝑝 = 5,8 ∗ 10−4
2.3. Определение коэффициента теплопередачи и расчетной площади теплообменного аппарата 𝑭рас , м𝟐
𝑘=
=
1
=
1
0,002
1
+ 0,0058 +
+ 0,00058 +
1137,96
57,7
281,195
10000
= 92,1691 Вт/(м ∗ К)
(8,78 + 58 + 0,3466 + 5,8 + 35,56)
𝐹=
𝜁=
𝑄
438,304
=
= 82,732
𝑘 × 𝜃𝑚 92,1691 × 57,48
|𝐹 − 𝐹расч | |82,732 − 84|
=
∗ 100% = 1,5%
𝐹
84
2.4. Окончательный выбор ТА
Возьмем другой ТА из той же серии
Площадь поверхности
Диаметр коПлощадь проходного
теплообмена F1 (м2) при
Наруж. Число
жуха, мм
сечения f·10-2,м2:
длине труб l (мм)
диаметр ходов по
труб, трубам, одного в вырезе между
nx
Наруж. Внутр. dn, мм
хода по перего- перего4000
тубам родки родками
630
600
20
4
1,6
4,1
24
4,8
84
3. Проверочный тепловой расчет
3.1. Определение фактической тепловой мощности выбранного теплообменного аппарата.
𝑄факт =
где
𝑊𝑚 =
2(𝑡1′ −𝑡2′ )
,
1
1
1 𝑒𝑘𝐹ст /𝑊𝑚 +1
+ +
∗
𝑊1 𝑊2 𝑊𝑚 𝑒𝑘𝐹ст /𝑊𝑚 −1
1
1
1
4𝑃
√(𝑊 +𝑊 )2 −𝑊 𝑊
1
2
1 2
𝑊1 = 𝐺1 ∙ 𝑐𝑝𝑚1 = 6 ∗ 2209,7 = 13258,20
𝑊2 = 𝐺2 ∙ 𝑐𝑝𝑚2 = 3 ∗ 4174 = 12522
𝐵𝑚
𝐵𝑚
𝐾
𝐾
;
;
Приведённый водяной эквивалент:
𝑊m =
𝑄факт =
1
1
1
4∗0,91
√(13258,2+12522)2 −13258,2∗12522
= 21979,5 Вт/К
2(110 − 18)
= 437,893 к𝐵𝑚
1
1
1
+
+
∗ 5,82258
13258,2 12522 21979,5
3.2. Расчет действительных конечных температур теплоносителей:
′′
𝑡1𝛿
= 𝑡1′ −
𝜀1 =
𝑄факт
437,893
= 110 −
= 76,97°С
𝑊1
13258,20
|76,97 − 75,92|
∗ 100% = 1,39 %
75,92
′′
𝑡2δ
= 𝑡2′ +
𝜀2 =
𝑄факт
437,893
= 18 +
= 52,97°С
𝑊2
12522
|52,97 − 53|
∗ 100% = 0,06 %
53
25
Подобранный тип теплообменного аппарата обеспечивает температуру горячего теплоносителя на выходе в пределах 15% отклонения. Однако, окончательный
выбор ТА должен основываться на технико-экономическом расчете. Таким образом,
остановимся на выборе именно этой конструкции.
26
4. Графическая часть курсовой работы
На рисунке 13 представлена схема выбранного ТА, указаны направления потоков теплоносителей.
Схема теплообменного аппарата:
Рис. 13 Кожухотрубчатый теплообменник с неподвижными трубными решетками:
1 - распределительная камера;
2 - кожух;
5 - теплообменная труба;
4 - поперечная перегородка;
5 - трубная решетка;
6 - крышка кожуха;
7 - опора
27
Схема движения теплоносителей и положение перегородок в распределительной камере и задней крышке ТА:
Число
ходов по трубам
Распределительная
камера
4
Температурная диаграмма теплоносителей
28
Задняя крышка
5. Список используемой литературы
1. Калинин А.Ф. Расчет и выбор конструкции кожухотрубного теплообменного
аппарата. – М.: РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2002.
2. Поршаков Б.П., Бикчентай Р.Н., Романов Б.А. Термодинамика и теплопередача (в технологических процессах нефтяной и газовой промышленности):
учебник для вузов [Текст] . М.: Недра, 1987. -349 с
3. Теоретические основы теплотехники: учеб. пособие РГУ нефти и газа им.
И.М. Губкина Каф. термодинамики и тепловых двигателей Ч. 2 Теплопередача в технологических процессах нефтяной и газовой промышленности
Поршаков Б.П., Калинин А.Ф., Купцов С.М., Лопатин А.С., Шотиди К.Х..
М., 2006. - 110 с
29