курсовая работа. теплотехника

Оглавление
I.
Введение. Классификация теплообменных аппаратов .................................................. 2
II.
Конструктивный тепловой расчёт. ..................................................................................... 6
III. Проверочный тепловой расчет ............................................................................................ 12
IV. Графическая часть курсовой работы ................................................................................ 13
V.
Список литературы .............................................................................................................. 16
I.
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.
теплообменного оборудования в нефтяной
и
Широкое
использование
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.
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.
2
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
3
1-распределительная камера; 2-трубные решетки; 3-компенсатор; 4-кожух;
теплообменная труба; 7-поперечная «сплошная» перегородка;
5-опора; 6-
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
4
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 ( t1' , t1" , t 2' , t 2" ).
5
II.
Конструктивный тепловой расчёт.
Исходные данные:
Теплоноситель
Горячий: керосин Т-1
Массовый расход
G, кг/с
25
Холодный: вода
Температура на
входе в ТА t’, °C
150
-
Температура на
выходе из ТА t”, °C
40
10
30
Определение теплофизических свойств горячего и холодного теплоносителей (сpm, λ, ν,
ρ, Pr).
Определим среднюю арифметическую температуру теплоносителей.
t ср1 
t1 't1 " 150  40

 95 °C
2
2
t ср 2 
t 2 't 2 " 10  30

 20 °C
2
2
Теплоноситель
Керосин Т-1
Вода
Средняя
темпера
тура tср,
°C
95
20
Удельная
массовая
теплоёмкость
cpm, Дж/(кг∙К)
2355
4183
Коэффициент
теплопроводности λ,
Вт/(м∙К)
0,105
0,599
Кинематически
й коэффициент
вязкости ν, 106
м2/с
0,755
1,006
Плот
ность
ρ,
кг/м3
770,0
988,2
Число
Pr
13,00
7,02
Определим мощность теплообменного аппарата.
Q  G1cpm1 (t1'  t1" )  G2 cpm2 (t"2  t '2 )
η – коэффициент, учитывающий тепловые потери в окружающую среду (от 0,95 до 0,98).
Примем η=0,97.
Q  G1c pm1 (t1'  t1" )  0,97  25  2355  (150  40)  6281 кВт;
Расчитаем массовый расход воды.
Q2=η∙Q1
G2 
Q
c pm2 ( 2   1 )

6281000
 75кг / с
4183  (30  10)
6
Определим среднюю разность температур между теплоносит. θm.
Для противоточной схемы движения теплоносителей средняя разность температур между
теплоносителями θm рассчитывается по уравнению Грасгофа:
m 
1  2

ln 1
2 ,
где 1  t1 '  t 2 ''  150  30  20 O C;
 2  t1 ''  t 2 '  40  10  30  C
 m  65  C
Определим оптимальный диапазон площадей проходных сечений (f1, f2) и
минимальный индекс противоточности Pmin ТА.
Площади проходных сечений:
f 
G
, где w – скорость течения теплоносителя в ТА.
 w
Выберем скорости теплоносителей в соответствии с рекомендациями:
Керосин: ω1=0,5-3 м/с;
Вода: ω2=0,5-3 м/с.
f min 1 
G1
25

 6,49см 2 ;
1  wmin 1 770  0,5
f max 1 
G1
25

 1,08см 2 ;
1  wmax 1 770  3
f min 2 
G2
75

 15,04см 2 .
 2  wmin 2 988,2  0,5
f max 2 
G2
75

 2,51см 2 .
 2  wmax 2 988,2  3
(t '1  t 2 )(t 2  t1 )
'
Pmin 
''
''
(t1  t1 )(t 2  t 2 )
'
''
''
'
 0,63
Выбираем противоток P=1.
7
Определим водяной эквивалент kF и площадь поверхности F теплообмена ТА.
kF 
Q
m

6281000
 96762,77 Вт/К
65
Коэффициент теплопередачи от горячего к холодному теплоносителю определяется по
соотношению:
k
1
   
1
 
     ст    

   з.тр  ст     з. мтр  мтр
1
 тр
где  тр ,  мтр – коэффициенты теплоотдачи в трубном и межтрубном пространстве;

  и
  з.тр

– термические сопротивления загрязнений на внутренней и наружной
 
  з.мтр
поверхности теплообменных труб;
ст – толщина стенки теплообменных труб кожухотрубных ТА (от 1,5 до 3 мм). Примем
ст  2  103 м.
 ст – коэффициент теплопроводности стенки теплообменных труб.
 
 15  10 4 м2К/Вт
 

  з.тр
αтр=1500 Вт/(м2К);
αмтр=3000 Вт/(м2К);
 
 0,42  10 4 м2К/Вт
 

  з. м тр
ст  48,1 м2К/Вт
k
1
 2  10
1
 15  10 4  
1500
 48,1
3

1
  0,42  10 4 
3000

В итоге площадь поверхности теплообмена ТА:
Fрасч 
kF 96762,77

 302 м 2
k
320,3
8
 320,3 Вт/(м2К)
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
следущий ТА.
Характеристики ТА:
Диаметр
кожуха, мм
Наруж
.
Внут.
-
1000
Наруж.
диам.
труб dн,
мм
Число
ходов
по
трубам
nx
25
6
Площадь проходного сечения f·10-2, м2
Одного
хода по
тр. fтр
3,6
В вырезе
перегородки
fв.п.
10,2
Между
перегородками
fм.п.
13
Площ.
пов.
теплооб
F, м2
Длина тр.
l=6000
мм.
302
Рассчитаем коэффициенты теплоотдачи от горячего теплоносителя к стенке α1 и от
стенки к холодному теплоносителю α2.
Коэффициент теплоотдачи в трубном пространстве:
 тр
 Pr 
 С  Re  Pr  Gr 

 PrC 
j
y
i
0,25
 тр
 d н  2ст 
Re, Pr, Gr – числа подобия теплоносителя, движущегося в теплообменных трубах ТА, при
средней арифметической температуре потока; Prc – число Прандтля теплоносителя,
движущегося в теплообменных трубах ТА, при средней температуре стенки тубы; λтр –
коэффициент теплопроводности теплоносителя, движущегося в теплообменных трубах ТА.
Средняя скорость теплоносителя в трубном пространстве выбранного стандартного ТА:
 тр 
Gтр
f тр   тр
 0,9 м / c
Число Рейнольдса: Re 
 тр  (d н  2   ст )
 25085,3
 тр
9
Режим турбулентный, из таблицы определяем следующие константы:
C=0,021;
j=0,8; y=0,43; i=0;
Определим Prc из таблицы при  cp :




1  t1  t1   t 2  t 2  1  115  35   60  65 
  


  68,75C
2  2   2  2 
2
2 


 


 ср   
Prc воды  2,66
Подставим:
 тр  0,021  25085,3  7,02
0 ,8
0, 43
 7,02 


 2,66 
0, 25

0,599
 1327,4 Вт /( м 2  К )
(0,025  2  0,002)
Рассчитаем коэффициент теплоотдачи теплоносителя в межтрубном пространстве:
 м тр 
Nu   м тр
dн
 Pr 

Nu  C  C z  C1  Re  Pr  
Pr
 c
m
0 , 25
n
,
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:
 м тр 
G м тр
 м тр  f м тр  f вв

25кг / с
770кг / м  0,102  0,013 м 2
3
Посчитаем число Рейнольдса: Re м тр 
 0,65 м / c
 м тр  d н 0,65  0,025

 16214,9
 м тр
0,755  10 6
10
Выбираем коэффициенты:
m=0,6; n=0,36; C1=0,36; C=0,718; Cz=1; Prc керосина  15,95
Nu  0,718  1  0,36  16214,9
Рассчитаем  м тр :  м тр 
0, 6
 9,2
0, 36
 9,2 


 15,95 
0, 25
 168
168  0,105
 327 Вт /( м 2  К )
0,025
Уточняем k:
k
1
 2  10
1
 15  10 4  5,8  10 4  
327
 48,1
3

1
 
 1327
 3,385 кВт /( м 2  К ) =168,54
Уточняем Fрасч.:
F расч. 
Q
k mL

6281000
 327,1 м2;
65  0,003385
Погрешность 
302  327,1
302
 8%
1000
Диаметр кожуха Dк , мм
Наружный диаметр теплообменных труб d н , мм
25
Число ходов по трубам, n x
6
Площади проходного сечения одного хода:
По трубам f тр , м 2
3,6 ·10-2
В вырезе перегородки f в п , м 2
10,2·10-2
Между перегородками f мп , м 2
13·10-2
Площадь поверхности теплообменника равна 302 м2. Длина трубы l = 6000 м.
Для удовлетворения поверхности теплообмена необходима система из 5 таких
теплообменников.
11
III.
Проверочный тепловой расчет
Определяем фактическую тепловую мощность выбранного аппарата:


2  (t1  t 2 )
Qст 
1
1
1 e kFст / Wm  1



W1 W2 Wm e kFст / Wm  1
Вычислим приведенный водяной эквивалент Wm :


Wm  


2
 1
1 
4 P
 
 
 W1 W2  W1  W2
W1  G1  c pm1  25  2355  58875




1
Дж/c·К
W2  G2  c pm2  75  4183  314098
Дж/с·К
2
  1

1 
4 1


Wm  



  58875 314098 
58875  314098 


1
 72456,3 Вт/К
Итак, тепловая мощность равна:
Qст 
2  (150  10)
 6389448,6 Вт
1
1
1
e 327327,1 / 72456,3  1



58875 314098 72456,3 e 327327,1 / 72456,3  1
Определим действительные температуры теплоносителей на выходе
теплообменного аппарата:
6389448,6

 Q
t д1  t1  ст  150 
 41,5C
W1
58875
6389448,6

 Q
t д 2  t 2  ст  10 
 30,3C
W2
314098
Вычислим погрешности найденных температур:


t1  t д1
41,5  40
 100% 
 100%  3,75%

40
t1


t 2  tд2
30,3  30

 100% 
 100%  1%

30
t2
 t1 
 t2
12
IV.
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
Наружный диаметр труб
dн, мм
Поперечный шаг труб
S1 = t, мм
Продольный шаг труб
S2, мм
25
32
27,7
Схемы движения теплоносителей и положение перегородок в
распределительной камере и задней крышке теплообменного аппарата:
Число ходов по
трубам
Распределительная
камера
2
Схема расположения труб в пучке:
13
Задняя крышка
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:


2  (t1  t 2 )
Qст 
1
1
1 e kFст / Wm  1



W1 W2 Wm e kFст / Wm  1
2
  1

1 
4 1


Wm  



  58875 314098 
58875  314098 


1
 72456,3 Вт/К
Итак, тепловая мощность равна:
Qст 
2  (150  10)
 6389448,6 Вт
1
1
1
e 327327,1 / 72456,3  1



58875 314098 72456,3 e 327327,1 / 72456,3  1
Определим промежуточные температуры:
6389448,6

 Q
t д1  t1  ст  150 
 41,5C
W1
58875
6389448,6

 Q
t д 2  t 2  ст  10 
 30,3C
W2
314098
14
Схема системы теплообменных аппаратов
КЕРОСИН
ВОДА
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.
15
V.
Список литературы
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
установок. – М.: МПА-ПРЕСС, 2006
16
тел
теплоэнергетических