Классификация теплообменных аппаратов

• Введение

  Классификация теплообменных аппаратов

• 1. Теплообменные аппараты с неподвижными трубными решетками
• 2. Теплообменные аппараты с неподвижными трубными решетками и с линзовым компенсатором на кожухе
• 3. Теплообменные аппараты с плавающей головкой
• 4. Теплообменные аппараты с U-образными трубами
• 5. Конструктивный тепловой расчёт
• 6. Проверочный тепловой расчет
• 7. Графическая часть курсовой работы
• Вывод
• Список литературы

Введение

Классификация теплообменных аппаратов

В реальных условиях передача теплоты чаще всего происходит при изменяющихся температурах теплообменивающихся сред. Типичным и наиболее распространенным техническим устройством, в котором теплопередача осуществляется при переменных температурах, является теплообменный аппарат.

Теплообменный аппарат — это устройство, предназначенное для передачи теплоты от одного теплоносителя к другому.

Теплообменные аппараты широко применяются в нефтедобывающей, газовой, нефтеперерабатывающей и химической промышленности. 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. Эффективная работа теплообменных аппаратов приводит к экономии энергии, сокращению расхода топлива и улучшает технико-экономические показатели производственных процессов.

По принципу действия теплообменные аппараты делятся на рекуперативные, регенеративные и смесительные.

В рекуперативных теплообменных аппаратах горячий и холодный теплоносители одновременно омывают с разных сторон поверхность теплообмена, а тепловой поток передается от горячего к холодному теплоносителю через разделяющую их стенку.

В регенеративных теплообменных аппаратах горячий и холодный теплоносители омывают одну и ту же поверхность теплообмена последовательно. При омывании поверхности теплообмена горячий теплоноситель отдает ей теплоту, а затем ту же поверхность омывает холодная теплоноситель, которая, получая теплоту, нагревается.

теплообменный аппарат трубная решетка В рекуперативных и регенеративных теплообменных аппаратах в процессе теплоотдачи между теплоносителями участвует поверхность теплообмена, поэтому эти аппараты называют поверхностными.

В смесительных теплообменных аппаратах теплопередача между теплоносителями осуществляется путем их непосредственного смешения. Эти теплообменные аппараты называют контактными.

По назначению теплообменные аппараты делятся на конвективные (нагреватели и холодильники), испарители, конденсаторы и кристаллизаторы.

В конвективных теплообменных аппаратах не происходит агрегатного превращения теплоносителей.

В испарителях происходит испарение холодного теплоносителя или компонентов холодного теплоносителя.

В конденсаторах конденсируется горячий теплоноситель или компоненты горячего теплоносителя.

Кристаллизаторы используют для охлаждения потока горячего теплоносителя до температуры, обеспечивающей образование кристаллов некоторых компонент горячего теплоносителя.

Наиболее широкое распространение в настоящее время получили кожухотрубные теплообменные аппараты.

Различают следующие типы кожухотрубных теплообменных аппаратов:

1. Теплообменные аппараты с неподвижными трубными решетками

1 — распределительная камера; 2 — кожух; 5 — теплообменная труба; 4 — поперечная перегородка; 5 — трубная решетка; б — крышка кожуха; 7 — опора

2. Теплообменные аппараты с неподвижными трубными решетками и с линзовым компенсатором на кожухе

1 — распределительная камера; 2 — трубные решетки; 3 — компенсатор; 4 — кожух; 5 — опора; 6 — теплообменная труба; 7 — поперечная «сплошная» перегородка; 9 — крышка.

Потоки: I — испаряющаяся среда; II — конденсат; III — парожидкостная смесь; IV — водяной пар.

3. Теплообменные аппараты с плавающей головкой

1 — крышка распределительной камеры; 2 — распределительная камера; 3 — неподвижная трубная решетка; 4 — кожух; 5 — теплообменная труба; 6 — поперечная перегородка; 7 — подвижная трубная решетка; 8 — крышка кожуха; 9 — крышка плавающей головки; 10 — опора; 11 — катковая опора трубчатого пучка

4. Теплообменные аппараты с U-образными трубами

1 — распределительная камера; 2 — трубная решетка; 3 — кожух; 4 — теплообменная труба; 5 — поперечная перегородка; 6 — крышка кожуха; 7 — опора; 8 — катковая опора трубчатого пучка

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

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 одно — и многоходовые в межтрубном пространстве.

В настоящей работе выполняется курсовое проектирование, целью которого является выбор стандартного теплообменного аппарата, обеспечивающего при заданных массовых расходах (G₁ и G₂) температурные режимы теплоносителей ().

5. Конструктивный тепловой расчёт

Исходные данные:

Определение теплофизических свойств горячего и холодного теплоносителей (с_pm, л, н, с, Pr).

Определим среднюю арифметическую температуру теплоносителей.

°C, °C

Определим мощность теплообменного аппарата.

з — коэффициент, учитывающий тепловые потери в окружающую среду (от 0,95 до 0,98). Примем з=0,97.

Рассчитаем массовый расход воды.

Q₂=з•Q₁

Определим среднюю разность температур между теплоносит. и_m.

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

где

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

Площади проходных сечений:

где w — скорость течения теплоносителя в ТА.

Выберем скорости теплоносителей в соответствии с рекомендациями:

Керосин: щ₁=0,5−3 м/с; Вода: щ₂=0,5−3 м/с.

Выбираем противоток P=1.

Определим водяной эквивалент kF и площадь поверхности F теплообмена ТА.

Вт/К 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.

— коэффициент теплопроводности стенки теплообменных труб.

б_тр=1500 Вт/ (м²К);

б_мтр=3000 Вт/ (м²К);

м²К/Вт

м²К/Вт

м²К/Вт

Вт/ (м²К) В итоге площадь поверхности теплообмена ТА:

Предварительный выбор ТА по каталогу.

а) Выбираем теплообменник с плавающей головкой.

б) По значениям вязкости теплоносителей и термических загрязнений направляем воду в трубное, а керосин в межтрубное пространство.

в) По диапазону площадей проходных сечений трубного и межтрубного пространства, а также по величине расчётной площади поверхности теплообмена, предварительно выбираем следующий ТА.

Характеристики ТА:

Рассчитаем коэффициенты теплоотдачи от горячего теплоносителя к стенке б₁ и от стенки к холодному теплоносителю б₂.

Коэффициент теплоотдачи в трубном пространстве:

Re, Pr, Gr — числа подобия теплоносителя, движущегося в теплообменных трубах ТА, при средней арифметической температуре потока; Pr_c — число Прандтля теплоносителя, движущегося в теплообменных трубах ТА, при средней температуре стенки тубы; л_тр — коэффициент теплопроводности теплоносителя, движущегося в теплообменных трубах ТА.

Средняя скорость теплоносителя в трубном пространстве выбранного стандартного ТА:

Число Рейнольдса:

Режим турбулентный, из таблицы определяем следующие константы: C=0,021; j=0,8; y=0,43; i=0;

Определим из таблицы при :

Подставим:

Рассчитаем коэффициент теплоотдачи теплоносителя в межтрубном пространстве:

где значения коэффициентов С, Сz, C1, m, n выбираются из таблицы в зависимости от расположения труб в пучке и значения числа Рейнольдса:

Выберем расположение труб в пучке в виде треугольника.

Вычислим среднюю скорость теплоносителя в межтрубном пространстве:

Посчитаем число Рейнольдса:

Выбираем коэффициенты:

m=0,6; n=0,36; C₁=0,36; C=0,718; C_z=1;

Рассчитаем :

Уточняем k:

Уточняем F_расч.:

м²;

Погрешность

Площадь поверхности теплообменника равна 302 м². Длина трубы l = 6000 м.

Для удовлетворения поверхности теплообмена необходима система из 5 таких теплообменников.

6. Проверочный тепловой расчет

Определяем фактическую тепловую мощность выбранного аппарата:

Вычислим приведенный водяной эквивалент :

Дж/c· К

Дж/с· К

Вт/К

Итак, тепловая мощность равна:

Определим действительные температуры теплоносителей на выходе теплообменного аппарата:

Вычислим погрешности найденных температур:

7. Графическая часть курсовой работы

Двухходовой кожухотрубчатый теплообменник с неподвижными трубными решетками:

1 - распределительная камера; 2 — кожух; 3 - теплообменная труба; 4 - поперечная перегородка; 5 — трубная решетка; 6 — задняя крышка кожуха; 7 — опора; 8 — дистанционная трубка; 9 — штуцеры; 10 — перегородка в распределительной камере; 11 — отбойник

Геометрические характеристики расположения труб в пучке

Схемы движения теплоносителей и положение перегородок в распределительной камере и задней крышке теплообменного аппарата:

Схема расположения труб в пучке:

Характер изменения температуры теплоносителей вдоль поверхности при прямотоке и противотоке в зависимости от соотношения водяных эквивалентов теплоносителей:

По оси абсцисс отложена поверхность теплообмена F, по оси ординат температура теплоносителей.

Большее изменение температуры будет у теплоносителя с меньшей теплоемкостью массового расхода.

Температурная диаграмма работы теплообменного аппарата

Найдем промежуточные точки на диаграмме:

Тогда, фактическая тепловая мощность:

Вт/К Итак, тепловая мощность равна:

Определим промежуточные температуры:

Схема системы теплообменных аппаратов

Вывод

В процессе расчёта теплообменного аппарата был определён тип ТА, его конструкция, определена мощность системы ТА, действительные конечные температуры теплоносителей, в результате чего подтверждена возможность использования системы теплообменников при заданных температурах теплоносителей. Так же была построена температурная диаграмма системы теплообменных аппаратов и найдены промежуточные значения точек.

1. Калинин А. Ф. Расчёт и выбор кожухотрубного теплообменного аппарата. — М.: РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина, 2002

2. Поршаков Б. П. и др. Теплотехника. Часть 2. Теплопередача. — М.: РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина, 2006

3. Трошин А. К., Калинин А. Ф., Купцов С. М. Термодинамические и теплофизические свойства рабочих тел теплоэнергетических установок. — М.: МПА-ПРЕСС, 2006