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

Кафедра термодинамики и тепловых двигателей

КУРСОВАЯ РАБОТА ПО ТЕПЛОТЕХНИКЕ

«Тепловой расчёт теплообменных аппаратов»

                                                                              Выполнила: Сергеева М.А.

                                                                                       ХТ-08-1

                                                                        Проверил: Шотиди К.Х

Москва 2010

                                                                 Оглавление

I. Введение. Классификация теплообменных аппаратов.              3

II. Конструктивный тепловой расчёт.              5

1.Определение:              5

              теплофизические свойства горячего и холодного теплоносителей.              5

              недостающие данные и мощность теплообменного аппарата.              5

              средняя разность температур между теплоносителями θm.              6

              оптимальный диапазон площадей проходных сечений (f1, f2) и минимальный индекс противоточности Pmin ТА.              6

              водяной эквивалент kF и площадь поверхности F теплообмена ТА.              7

              истинный индекс противоточности.              8

2.Предварительный выбор теплообменного аппарата по каталогу.              8

3.Расчет коэффициентов теплоотдачи от горячего теплоносителя к стенке α1 и от стенки к холодному теплоносителю α2.              8

4.Определение коэффициента теплопередачи, водяного эквивалента и площади поверхности теплообмена ТА.              10

III. Проверочный тепловой расчёт.              11

1.Определение фактической тепловой мощности выбранного ТА Q.              11

2.Расчет действительных конечных температур теплоносителей (,).              12

IV. Графическая часть.              13

Схема ТА              13

Температурная диаграмма теплоносителей:              14

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.

Исходные данные.

1.Определение:

       теплофизические свойства горячего и холодного теплоносителей.

Определим среднюю арифметическую температуру теплоносителей.

°C

°C

Большей вязкостью обладает нефть, поэтому направляем ее в межтрубное пространство.

       недостающие данные и мощность теплообменного аппарата.

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

Массовый выход бензина:

Мощность ТА:

       средняя разность температур между теплоносителями θm.

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

m =,                                          

Θ1 = t1 -  t2=151-83=68 °C

Θ2 = t1 - t2=108-19=89 °C

m =°C                                                                                            

       оптимальный диапазон площадей проходных сечений (f1, f2) и минимальный индекс противоточности Pmin ТА.

Скорости теплоносителей в ТА:

бензин: wmin=0,5 м/с, wmax=3 м/с

нефть: wmin=0,2 м/с, wmax=1 м/с

м2

м2

м2

м2

P  Pmin

Выбираем противоток P=1.

       водяной эквивалент kF и площадь поверхности F теплообмена ТА.

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.

αтр=10250 Вт/(м2К)

αмтр=325 Вт/(м2К)

м2К/Вт

м2К/Вт

,

       истинный индекс противоточности.

По графику определяем:         t =1,

m = mL ,  Р=1

2.Предварительный выбор теплообменного аппарата по каталогу.

Выбираем кожухотрубный тепплообменный аппарат с неподвижными трубными решетками и температурным компенсатором на кожухе.

Характеристики ТА:

3.Расчет коэффициентов 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; Prc – число Прандтля теплоносителя, движущегося в теплообменных трубах ТА, при средней температуре стенки тубы;

λтр – коэффициент теплопроводности теплоносителя, движущегося в теплообменных трубах ТА.

                Средняя скорость теплоносителя в трубном пространстве выбранного стандартного теплообменного аппарата wтр , необходимая для определения числа Рейнольдса Reтр :

м/с

=> режим турбулентный.

С=0,021; j=0,8; y=0,43; i=0.

  Prc бензина при tc:

tc= 90,25ºC       

Prc=5,06

Коэффициент теплоотдачи в межтрубном пространстве αмтр рассчитывается по формуле:

,

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

542

Выберем расположение труб в пучке по вершинам равносторонних треугольников.

40<Re=542<103

C1=0,71;            m=0,5;           n=0,36

zn=12;                 C=0,671;         Cz=1.

  Prc нефти при tc:

Prc(90,25˚C)=45

4.Определение коэффициента теплопередачи, водяного эквивалента и площади поверхности теплообмена ТА.

Уточняем коэффициент теплопередачи:

,

Уточняем расчетную площадь поверхности теплообмена:

По каталогу выбираем F=121 м2

Окончательный выбор ТА:

III. Проверочный тепловой расчёт.

1.Определение фактической тепловой мощности выбранного ТА Q.

Фактическая тепловая мощность выбранного стандартного теплообменного аппарата рассчитывается по формуле Н.И. Белоконя

где Wm – приведенный водяной эквивалент,

Fст – площадь поверхности теплообмена выбранного стандартного теплообменного аппарата; k – коэффициент теплопередачи.

W1=

W2=

2.Расчет действительных конечных температур теплоносителей (,).

Действительные температуры теплоносителей на выходе из теплообменного аппарата определяются из следующих соотношений:

ºС

ºС

Погрешности найденных температур:

Расхождение между тепловым мощностями:

V. Графическая часть.

Схема ТА

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

Температурная диаграмма теплоносителей:

t,ºC

151

150

                                                                                                                   108

100

83

50

                                                                                                                     19

0                                                                                                                                            

                                                    60                                                   121                                  F,м2

1