Файл: КР по теплотехнике и термодинамике.docx

Добавлен: 15.02.2019

Просмотров: 1031

Скачиваний: 44

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ НЕФТИ И ГАЗА им. И.М. ГУБКИНА



КАФЕДРА ТЕРМОДИНАМИКИ И ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ






КУРСОВАЯ РАБОТА

ПО ТЕХНИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКЕ И ТЕПЛОТЕХНИКЕ




ТЕМА:

«КОНСТРУКТИВНЫЙ И ПРОВЕРОЧНЫЙ ТЕПЛОВОЙ РАСЧЁТ ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА»
























Москва 2017


Содержание


  1. Введение………………………………………………………………3 – 5

  2. Определение теплофизических свойств горячего и холодного теплоносителей…………………………………………………….........6

3. Определение мощности теплообменного аппарата……….…..............6

4. Средняя разность температур………………………………….……………….6

5. Определение оптимального диапазона площадей проходных сечений…………………………………………………………………..6


6. Предварительный выбор теплообменного аппарата………………….7


7. Определение коэффициента теплоотдачи от горячего теплоносителя

к стенке……………………………………………………………………….7

8. Определение коэффициента теплоотдачи от стенки к холодному теплоносителю……………………………………………………….….8

9. Дополнительные тепловые сопротивления…………………………....10

10. Коэффициент теплопередачи (k, Вт/(м2·К)), и водяной эквивалент поверхности нагрева kF,Вт/К)…………………………………………11

11. Определение фактической мощности выбранного теплообменного аппарата по данным проверочного расчёта. ……………..………..11

12. Графическая часть, схема теплообменника………………...………….12

13. Список используемой литературы……………………………………...13






















  1. Введение


Классификация теплообменных аппаратов.


Теплообменным аппаратом (ТА) называется устройство, в котором осуществляется теплообмен между двумя теплоносителями. ТА широко применяются в нефтедобывающей, газовой, нефтеперерабатывающей и химической промышленности, при транспорте и хранении нефти, нефтепродуктов и газа и в других отраслях народного хозяйства. По принципу действия ТА делятся на рекуперативные и смесительные.

В рекуперативных ТА горячая и холодная среды одновременно с разных сторон омывают поверхность теплопередачи, а теплота передаётся через стенку.

В регенеративных ТА горячая и холодная среды омывают одну и ту же поверхность теплопередачи последовательно: сначала омывает горячая жидкость, отдавая ей теплоту, а затем ту же поверхность омывает холодная жидкость, которая от неё и нагревается. Примером таких ТА могут служить вращающиеся воздухоподогреватели.

В рекуперативных и регенеративных ТА в процессе теплообмена участвует поверхности теплопередачи, поэтому эти ТА называются поверхностными.

В смесительных ТА теплопередача от горячей жидкости к холодной осуществляется путём их непосредственного смешения. Эти ТА называют контактными. Примером таких ТА могут быть градирни, в которых разбрызгиваемая вода охлаждается атмосферным воздухом.

В зависимости от назначения и конструктивного оформления ТА имеют специальные наименования. Наиболее широко распространены кожухотрубные теплообменники; по некоторым данным они составляют до 80% всей теплообменной аппаратуры. Большое распространение получили также теплообменные аппараты жёсткой конструкции, теплообменники с компенсаторами температурных напряжений (с линзовыми компенсаторами на корпусе, с плавающей головкой), с U-образными трубками. Кроме того, в нефтяной и газовой промышленности широко применяются теплообменные аппараты типа”труба в трубе”. В промышленности наибольшее распространение получили поверхностные ТА, где горячая и холодная жидкости могут двигаться различно. Наиболее простыми и распространёнными схемами движения являются прямоток, противоток и перекрёстный ток. При прямотоке горячая и холодная среды движутся вдоль поверхности теплообмена в одном направлении, при противотоке – в противоположных направлениях, при перекрёстном токе – в перекрещивающихся направлениях. Существуют аппараты и с более сложными схимами теплообмена.


Кожухотрубные теплообменники относятся к поверхностным теплообменным аппаратам рекуперативного типа. Различают следующие типы кожухотрубных теплообменных аппаратов:

  • теплообменные аппараты с неподвижными трубными решётками (жёсткотрубные ТА);

  • теплообменные аппараты с неподвижными трубными решётками и с линзовым компенсатором на кожухе;

  • теплообменные аппараты с U-образными трубами.

В зависимости от расположения труб различают теплообменные аппараты горизонтального и вертикального типа.

В зависимости от числа перегородок в распределительной камере и задней крышке кожухотрубные теплообменные аппараты делятся на одноходовые, двухходовые и многоходовые в трубном пространстве.

В зависимости от числа продольных перегородок, установленных в межтрубном пространстве, кожухотрубные теплообменные аппараты делятся на одноходовые и многоходовые в межтрубном пространстве.

Теплообменники с неподвижными трубными решётками применяются, если максимальная разность температур теплоносителей не превышает 800С, и при сравнительно небольшой длине аппарата.

Для частичной компенсации температурных напряжений в кожухе и в теплообменных трубах используются специальные гибкие элементы (расширители, компенсаторы), установленные на кожухе.

Эффективность кожухотрубчатых ТА повышается с увеличением скорости движения потоков теплоносителей и степени их турбулизации. Для увеличения скорости движения потоков в межтрубном пространстве и их турбулизации, повышения качества омывания поверхности теплообмена в межтрубное пространство ТА устанавливаются специальные поперечные перегородки. Наибольшее распространение получили сегментные перегородки.

Поперечные перегородки с секторным вырезом оснащены дополнительной продольной перегородкой, равной по высоте половине внутреннего диаметра кожуха аппарата. Секторный вырез располагают в соседних перегородках в шахматном порядке. При этом теплоноситель в межтрубном пространстве совершает вращательное движение то по часовой стрелке, то против неё.

Аппараты со ”сплошными” перегородками используются обычно для чистых жидкостей. В этом случае жидкость протекает по кольцевому зазору между теплообменными трубами и отверстиями в перегородках.

Для повышения тепловой мощности ТА при неизменных длинах труб и габаритов ТА используется оребрение наружной поверхности теплообменных труб. Оребрённые теплообменные трубы применяются в тех случаях, когда со стороны одного из теплоносителей трудно обеспечить высокий коэффициент теплоотдачи (газообразный теплоноситель, вязкая жидкость, ламинарное течение и т.д.). Различают следующие оребрённые трубы:

  • с приварнымикорытообразноми рёбрами;

  • с завальцованными рёбрами;

  • с винтовыми рёбрами;

  • с выдавленными рёбрами;

  • с приваренными шиловидными рёбрами.


Конструктивный тепловой расчёт приводится для того, чтобы выбрать теплообменный аппарат при их серийном производстве на заводах или спроектировать новый аппарат.

Проверочный тепловой расчёт проводится с целью определить мощность теплообменного аппарата и конечные температуры теплоносителей, омывающих поверхность нагрева теплообменного аппарата, конструкция и площадь поверхности нагрева которого известны.



Конструктивный тепловой расчёт.


  1. Теплофизические свойства горячего и холодного теплоносителей.


горячий теплоноситель - водяной пар

холодный теплоноситель - бензин


tm, oC

кг/м3

Ср∙10-3,Дж/(кг∙К)

λ,Вт/(м∙К)

ν∙1062

Pr

бензин

16

705

2,025

0,113

0,62

8

вода

120

1,121

2,207

2,59

11,46

1,09


  1. Мощность теплообменного аппарата (Q, Вт) по исходному заданию.


[1,c.19]

где η – коэффициент, учитывающий тепловые потери в окружающую среду

η = 0,95 – 0,98 [1,c.19]

Вт

кг/с


  1. Средняя разность температур θm, оС.


[1,c.20]

  1. Определение оптимального диапазона площадей проходных сечений.

Приемлемые диапазоны площадей проходных сечений трубного и межтрубного пространства находятся с использованием рекомендуемых диапазонов скоростей теплоносителей из соотношений:


ƒmin; ƒmax [1,c.25]

где max и min – максимальная и минимальная рекомендуемые скорости потоков теплоносителей;

ρ и G – плотность и массовый расход теплоносителя.

max 2 = 3,0 м/с и min 2 = 0,5 м/с

max 1 = 60,0 м/с и min 1 = 20,0 м/с

Для водяного пара:

ƒmin 1 м2

ƒmax 1 м2

Для бензина:

ƒmin 2 м2

ƒmax 2 м2



  1. Предварительный выбор теплообменного аппарата по каталогу.


Выбираем кожухотрубный теплообменный аппарат в диапазоне



Диаметр кожуха, мм

Наружный диаметр труб dн, мм

Число ходов по трубам nx

ƒ∙102, м2

Одного хода по трубам


F, м2

При L=3000


Наруж

Внутр

159

-

20

1

0,4

3,5



7 .Определение коэффициента теплоотдачи от горячего теплоносителя к стенке α1.

Бензин – как более грязный продукт направляем в трубу, а водяной пар - в межтрубное пространство.


Коэффициент теплоотдачи в межтрубном пространстве αмтр находится по формуле:




  1. Определение коэффициента теплоотдачи от стенки к холодному теплоносителю α2


Коэффициент теплоотдачи в трубном пространстве αтр находится по формуле:

[1,c.29]

где Re, Pr, Gr – числа подобия воды при средней температуре потока;

λтр – коэффициент теплопроводности воды.

1, поэтому этой величиной можно пренебречь.

Найдем число Прандтля при температуре стенки при

Средняя скорость воды в межтрубном пространстве мтр, необходимая для определения числа Рейнольдса, рассчитывается по формуле:

Режим турбулентный: с=0,021; j=0,8; y=0,43; i=0

Из следующего соотношения определим температуру стенки при полученных значениях коэффициентов теплоотдачи:

условие не выполняется


Проведем аналогичный расчет до тех пор, пока условие не будет выполняться.


При значение числа Прандтля стенки

Определим значение коэффициентов теплоотдачи:


условие не выполняется


При значение числа Прандтля стенки


Определим значения коэффициентов теплоотдачи:

условие не выполняется



При значение числа Прандтля стенки

Определим значения коэффициентов теплоотдачи:

условие не выполняется

При значение числа Прандтля стенки

Определим значения коэффициентов теплоотдачи:

условие выполняется


9. Определение дополнительных термических сопротивлений стенки трубы и загрязнений.


Выберем сталь СТ20

толщина стенки δст = 2 мм

коэффициент теплопроводности стали λст=51,1 Вт/(м∙К)

термические сопротивления загрязнений:

  • для бензина Rз тр = 29∙10-42∙К)/Вт

  • для воды Rз мтр = 2,9∙10-42∙К)/Вт





10. Определение коэффициента теплопередачи и водного эквивалента поверхности нагрева.


Коэффициент теплопередачи:

[1,c.35]


Вт/(м2∙К)

м2

Так как расчет производился для теплообменника с Fтеор=3,5 м2, то для определения количества аппаратов нужно Fрасч/Fтеор= 2 .


11. Определение фактической мощности выбранного теплообменного аппарата по данным проверочного расчёта.


Фактическая тепловая мощность выбранного теплообменного аппарата рассчитывается по формуле Белоконя:

[1,c.37]

где Wm – приведённый водяной эквивалент,

где

W2=Cp2G2=2,025∙103∙3= 6075 Вт/с


Откуда


Wm =6075 Вт/с

Вт


Действительные температуры теплоносителей на выходе из ТА:

[1,c.37]


Отклонение от заданных температур составляют соответственно 0% и 0,23%.



12. Графическая часть.

оС



t1=t2=120 C








2=30


=2



F, м



Схема теплообменного аппарата