Министерство образования Российской Федерации

Российский государственный университет нефти и газа им. И.М. Губкина

А.Ф. КАЛИНИН

РАСЧЕТ И ВЫБОР КОНСТРУКЦИИ КОЖУХОТРУБНОГО ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА

Москва 2002

Министерство образования Российской Федерации

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

НЕФТИ И ГАЗА им. И.М. ГУБКИНА

_________________________________________________________

Кафедра термодинамики и тепловых двигателей

А.Ф. Калинин

РАСЧЕТ И ВЫБОР КОНСТРУКЦИИ КОЖУХОТРУБНОГО ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА

Методические указания по курсовому проектированию для студентов специальностей: 090600, 090700, 170200, 250100, 250400, 320700, 330500

Под редакцией проф. Б.П. Поршакова

Москва 2002

УДК 621.1.016

Калинин А.Ф., Расчет и выбор конструкции кожухотрубного теплообменного аппарата: Методические указания по курсовому проектированию. – – 2-е издание, переработанное и дополненное. – М.: РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2002. – 82 с.

Дана методика теплового и гидравлического расчета кожухотрубного теплообменного аппарата. Приведены основные критерии, определяющие выбор конструкции кожухотрубных теплообменников.

Представлены основные конструктивные характеристики кожухотрубных теплообменных аппаратов и другие материалы справочного характера.

Рецензент – К.Х.Шотиди, кандидат технических наук, доцент

кафедры термодинамики и тепловых двигателей РГУ нефти

и газа им. И.М. Губкина

© Российский государственный университет

нефти и газа им. И.М. Губкина, 2002

СОДЕРЖАНИЕ

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И ИНДЕКСЫ ………………………………..4

ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………………6

1. ТИПЫ КОЖУХОТРУБНЫХ ТЕПЛООБМЕННИКОВ И ОСОБЕННОСТИ ИХ КОНСТРУЦИИ……………………………….7

2. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ И ВЫБОР КОНСТРУКЦИИ ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА…………………………….….17

   0. Предварительный (оценочный) расчет и выбор теплообменного аппарата………………………………………...17

   1. Расчет коэффициента теплопередачи и окончательный выбор ТА………………………………………...29

3. ПРОВЕРОЧНЫЙ ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА…………………………….…..37

4. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕННОГО

АППАРАТА…………………………………………………………..38

0. Расчет падения давления теплоносителей в трубном и межтрубном пространстве ТА……………………….38

1. Определение мощности энергопривода перекачивающих устройств………………………………………45

1. ОЦЕНКА ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА………………………………...46

2. ГРАФИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ КУРСОВОЙ РАБОТЫ (ПРОЕКТА)…...46

ПРИЛОЖЕНИЕ I………………………………………………………………..47

ПРИЛОЖЕНИЕ II……………………………………………………………….51

ПРИЛОЖЕНИЕ III………………………………………………………………69

ЛИТЕРАТУРА…………………………………………………………...………82

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

Q– тепловой поток (тепловая мощность теплообменного аппарата), Вт;

T, t– температура, К,^оС;

G – массовый расход, кг/с;

W– водяной эквивалент теплоносителя, Вт/К;

F,f– площади поверхности теплообмена и проходного сечения, м²;

d,,l– диаметр, толщина и длина, м;

с_pm – удельная массовая теплоемкость, Дж/(кг.К);

 – плотность, кг/м³;

 – коэффициент теплопроводности, Вт/(м.К);

, – кинематический и динамический коэффициенты вязкости, м²/с и Пас;

 – температурный коэффициент объемного расширения, 1/К;

w– линейная скорость, м/с;

u– массовая скорость, кг/(м².с);

 – коэффициент теплоотдачи, Вт/(м².К);

k– коэффициент теплопередачи, Вт/(м².К);

R– термическое сопротивление, (м².К)/Вт;

P– индекс противоточности;

Δp– падение давления, Па;

Числа (критерии) подобия:

Нуссельта Nu = , РейнольдсаRe = = ,

Грасгофа Gr = ,

Прандтля Pr =.

ИНДЕКСЫ

1– индекс, который имеют характеристики, относящиеся к горячему теплоносителю;

2– индекс, который имеют характеристики, относящиеся к холодному теплоносителю;

΄ – индекс характеристик теплоносителя на входе в теплообменный аппарат;

˝– индекс характеристик теплоносителя на выходе из теплообменного аппарата;

тр– индекс, который имеют характеристики, относящиеся к теплоносителю, который движется в трубном пространстве;

мтр – индекс, который имеют характеристики, относящиеся к теплоносителю, который движется в межтрубном пространстве;

min– минимальное значение характеристики;

max– максимальное значение характеристики.

ВВЕДЕНИЕ

Теплообменными аппаратами (ТА) называются устройства, предназначенные для передачи теплоты от одного теплоносителя к другому. Теплообменные аппараты широко применяются в нефтедобывающей, газовой, нефтеперерабатывающей и химической промышленности: для производства теплооменного оборудования затрачивается до 30 % от общего расхода металла на все технологическое оборудование [10].

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.

Наиболее широкое распространение в настоящее время получили кожухотрубные теплообменники. По некоторым данным они составляют до 80 % от всей теплообменной аппаратуры, используемой в нефтяной и газовой промышленности.

На кафедре термодинамики и тепловых двигателей РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина студентами ряда специальностей: 090600, 090700, 170200, 250100, 250400, 320700, 330500 выполняется курсовой проект (работа), целью которого является выбор стандартного теплообменного аппарата, обеспечивающего при заданных массовых расходах (G₁,G₂) температурные режимы теплоносителей (t₁,t₁, t₂, t₂).

При выборе стандартного теплообменного аппарата необходимо провести конструктивный и проверочный тепловые расчеты, а также гидравлический расчет теплообменника.

Целью конструктивного теплового расчета является определение типа теплообменного аппарата и его конструкции.

При проверочном тепловом расчете определяется мощность выбранного стандартного теплообменного аппарата Q_ст и действительные конечные температуры теплоносителей (t_1д, t_2д). В результате этого расчета выясняется возможность использования стандартного теплообменника при заданных температурных режимах теплоносителей.

Гидравлический расчет теплообменного аппарата необходим для определения падения давления теплоносителей (p₁, p₂) в ТА и мощностей энергопривода насосов и компрессоров (Ne₁,Ne₂), необходимых для перекачки теплоносителей через аппарат.