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 приварными ”корытообразноми” 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.

2. 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∙106,м2/с	Pr
бензин	16	705	2,025	0,113	0,62	8
вода	120	1,121	2,207	2,59	11,46	1,09

3. 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

4. Средняя разность температур θ_m, ^оС.

[1,c.20]

5. Определение оптимального диапазона площадей проходных сечений.

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

ƒ_min; ƒ_max [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:

ƒ_{min 1} м²

ƒ_{max 1} м²

Для бензина:

ƒ_{min 2} м²

ƒ_{max 2} м²

6. 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 α_мтр находится по формуле:

8. Определение коэффициента теплоотдачи от стенки к холодному теплоносителю α₂

Коэффициент теплоотдачи в трубном пространстве α_тр находится по формуле:

[1,c.29]

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

λ_тр – 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 δ_ст = 2 мм

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

термические сопротивления загрязнений:

• для бензина R_{з тр} = 29∙10^-4 (м²∙К)/Вт

• для воды R_{з мтр} = 2,9∙10^-4 (м²∙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 F_теор=3,5 м², то для определения количества аппаратов нужно F_расч/F_теор= 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 W_m – приведённый водяной эквивалент,

где

W₂=C_p2∙G₂=2,025∙10³∙3= 6075 Вт/с

Откуда

W_m =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

---

Смотрите также файлы

• 1-14 вопросы Философия.doc

• Вопросы по философии.docx

• ВАВИЛОНСКАЯ ДЕРЖАВА хамурапи.pdf

• Ответы на экзамен_введение в языкознание_Рябова.docx

• Экзаменационные вопросы ТО.docx