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→55

40←20

∆t_б=100 °С; ∆t_м=35 °С

(1.1.4)

°С

При 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.

= 75828,98

Режим 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

°С

Необходимо 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

---