Файл: 1 Технологический расчет теплообменника 4 1 Тепловой расчет теплообменника 4.docx

Содержание

Введение

Теплообменниками называют аппараты, предназначенные для передачи тепла от одних веществ к другим. Вещества, участвующие в процессе передачи тепла, называются теплоносителями. Теплообменные аппараты могут применяться как самостоятельное оборудование, так и в виде отдельных элементов технологических и энергетических установок, образуя секционные (многоступенчатые) агрегаты.В промышленности наиболее распространены поверхностные рекуперативные теплообменники, в которых теплоносители разделены твердой стенкой. В зависимости от вида поверхности теплообмена их разделяют на две группы:· аппараты с трубчатой поверхностью теплообмена (кожухотрубчатые теплообменники, теплообменники «труба в трубе», оросительные теплообменники, змеевиковые теплообменники, ламельные теплообменники);· аппараты с плоской поверхностью теплообмена (пластинчатые теплообменники, спиральные теплообменники, аппараты с рубашкой).По способу передачи тепла различаются теплообменники смешения, в которых рабочие среды непосредственно соприкасаются или перемешиваются, и поверхностные теплообменники-рекуператоры, в которых тепло передаётся через поверхность нагрева – твёрдую стенку, разделяющую эти среды. По основному назначению различаются подогреватели, испарители, холодильники, конденсаторы. В зависимости от вида рабочих сред различаются теплообменники: · жидкостно-жидкостные - при теплообмене между двумя жидкими средами; · паро-жидкостные - при теплообмене между паром и жидкостью; ·газо-жидкостные - при теплообмене между газом и жидкостью; · газово-газовые - при теплообмене между газом и газом и др.Кожухотрубчатые теплообменники различных конструкций – наиболее распространённый тип теплообменных аппаратов.Трубные решетки устанавливаются по обеим сторонам трубного пучка. Трубы крепятся в трубной решетке тремя способами: развальцовкой, сваркой и пайкой. Крепление крышек к кожуху осуществляется фланцевыми соединениями. Для герметичности конструкции между фланцами устанавливается прокладка. Теплоносители вводятся в трубное и межтрубное пространство через штуцеры. Для уменьшения теплопотерь в трубное пространство рекомендуется направлять более горячий теплоноситель, а в межтрубное – более холодный.

---

В межтрубном пространстве могут быть установлены поперечные сегментные перегородки. Они предназначены для повышения прочности конструкции, а также для увеличения скорости движения теплоносителя, движущегося в межтрубном пространстве, а следовательно, для интенсификации процесса теплообмена. Число сегментных перегородок в нормализованном кожухотрубчатом теплообменнике регламентируется.В зависимости от числа ходов по трубному пространству различают одно-, двух- и многоходовые кожухотрубчатые теплообменники (рис. 2). Под многоходовыми подразумеваются четырех- и шестиходовые.Одноходовые и многоходовые теплообменники могут быть вертикальными или горизонтальными. Вертикальные теплообменники более просты в эксплуатации и занимают меньшую производственную площадь. Горизонтальные теплообменники изготавливаются обычно многоходовыми и работают при больших скоростях участвующих в теплообмене сред, для того чтобы свести к минимуму расслоение жидкостей вследствие разности их температур и плотностей, а также устранить образование застойных зон.В данной работе рассмотрен кожухотрубчатый теплообменник.Теплообменник представляет собой горизонтальный цилиндрический аппарат, выполненный из стали 12ХМ, предназначенный для охлаждения жидких или газообразных сред без изменения их агрегатного состояния. Эти теплообменники, нормализованные в соответствии с ГОСТ 15120-79, могут быть одно-, двух- , четырех- и шестиходовыми, горизонтальными длиной 3, 6 и 9 м или вертикальными высотой 3 м.Цель теплового расчета: определить требуемую поверхность теплообмена и подобрать стандартизованный аппарат. Для достижения цели выполняют следующие основные элементы расчета:

• 
  предварительный (ориентировочный) тепловой расчет, в рамках которого определяют ориентировочную поверхность теплообмена и предварительно принимают аппарат;
  
• 
  уточненный тепловой расчет; проводится с целью уточнения поверхности теплообмена путем расчета параметров, характеризующих процесс теплообмена – коэффициентов теплоотдачи и теплопередачи с учетом режимов движения потоков в предварительно выбранном аппарате.
  

Гидравлический расчет проводится с целью определения достаточности давления, создаваемого насосами (компрессорами) для преодоления сопротивлений, возникающих при движении потока через аппарат.

---

1 Технологический расчет теплообменника

Необходимо рассчитать кожухотрубчатый теплообменник, в котором происходит охлаждение бензиновой фракции.Мощность установки 6,5 млн. тонн в год обессоленной нефти. Расход дистиллята составляет 157487 кг/ч (43,75 кг/с). Фракция поступает в межтрубное пространство с начальной температурой Т_н1=140°С и выходит из теплообменника с Т_к1=55°С. В дальнейшем именуется как горячий теплоноситель. Охлаждение смеси происходит оборотной водой, подаваемой в трубное пространство с t_н2=20°С, которая нагревается при этом до t_к2=40°С. В дальнейшем именуется как холодный теплоноситель.

1.1 Тепловой расчет теплообменника

Определим среднюю температуру воды по формуле (1.1.1):Физико-химические свойства воды при 30 :ρ₂=996 кг/м³; С₂=4180 Дж/(кг∙К); λ₂=0,63 Вт/(м∙К); μ₂=0,00069 Па∙с.Тепловая нагрузка аппарата равна с учётом тепловых потерь: (1.1.2)Определим расход воды в теплообменнике: (1.1.3)Движущая сила процесса:140→5540←20∆t_б=100 °С; ∆t_м=35 °С (1.1.4) °СПри сложных движениях теплоносителей средняя разность температур вычисляется по формуле: (1.1.5)где – коэффициент, определяется по графикам, который зависит от вспомогательных величин R и P, которые рассчитываются по следующим формулам:По графику определенно, что = 0,75 [2]. Средняя разность температур равна:

---

°С

Примем ориентировочно коэффициент теплопередачи равным 700 Вт/(м²∙К).

Определим ориентировочную поверхность теплообмена:

(1.1.6)

м²

По ГОСТ 15120-79 выбираем четырёхходовой теплообменник жёсткой конструкции:

Таблица 2.1 Характеристика выбранного теплообменника

Характеристика	Параметр
Диаметр кожуха, D, мм	800 мм
Ст. поверхность теплообмена Fстанд, м2	240 м2
Число труб nтр, шт	638
Длина трубок lтр, м	6
Диаметр трубы dтр, м	0,020×0,002
Теплопроводность стенки ʎст, Вт/м*град	17,5
Количество ходов	4
Проходное сечение трубное для 1 хода	0,030м2
Проходное сечение межтрубное	0,070 м2

2 Уточненный расчет поверхности теплопередачи

Для определения коэффициентов теплоотдачи следует рассчитать критерии Рейнольдса и Прандтля [2]: , (2.1)где Re – критерий Рейнольдса;d_вн – внутренний диаметр труб, м;μ₁ – вязкость горячего теплоносителя, Па∙с. = 75828,98Режим движения потока в трубном пространстве – турбулентный, так как Re>10000. , (2.2)где Pr – критерий Прандтля;λ₁ – теплопроводность горячего теплоносителя, Вт/(м∙К).Коэффициент теплоотдачи бензиновой фракции, движущейся в трубном пространстве в турбулентном режиме: (2.3) Вт/(м²∙К)

---

Аналогичный расчет проводим для определения коэффициента теплоотдачи холодного теплоносителя: , (2.4)где d_н – наружный диаметр труб, м;S_мтр – площадь сечения межтрубного пространства. , (2.5) Коэффициент теплоотдачи для воды, движущейся в межтрубном пространстве: (2.6) Вт/(м²∙К)В соответствии справочнику термические сопротивления загрязнений для бензиновой фракции и воды равны r₁=2900 Вт/(м²∙К) и r₂=2900 Вт/(м²∙К) соответственно.Коэффициент теплопередачи равен: , (2.7)где h_ст – толщина стенки теплопередающей поверхности, м;λ_ст – теплопроводность нержавеющей стали. Вт/(м²∙К) Удельная тепловая нагрузка: (2.8)Для уточненного расчета коэффициента теплопередачи необходимо найти и °С °С °С °СНеобходимо определить поправку со стороны горячего теплоносителя при температуре стенки 64,5°С.Критерий Прандтля (Pr) при температуре стенки в межтрубном пространстве: (2.9)Тогда коэффициент теплоотдачи равен: Вт/(м²∙К)Определение поправки

---