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
-
Введение………………………………………………………………3 – 5
-
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
-
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.
-
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 |
-
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
-
Средняя разность температур θm, оС.
[1,c.20]