Минобрнауки россии ргу нефти и газа (ниу) имени И. М. Губкина - файл

приобрести
скачать (191.7 kb.)


МИНОБРНАУКИ РОССИИ
РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина


Факультет

проектирования, сооружения и эксплуатации систем трубопроводного транспорта

Кафедра

термодинамики и тепловых двигателей



Оценка комиссии:




Рейтинг:




Подписи членов комиссии:








Шотиди К.Х.

(подпись)




(фамилия, имя, отчество)







Мерициди И.И.

(подпись)




(фамилия, имя, отчество)




(дата)










КУРСОВАЯ РАБОТА


по дисциплине

Техническая термодинамика и теплотехника




на тему

Тепловой расчет теплообменных аппаратов



«К ЗАЩИТЕ»




ВЫПОЛНИЛ:










Студент группы

ХЭ-19-08










(номер группы)

Старший преподаватель Мерициди И.И..




Мельник Владислав Константинович

(должность, ученая степень; фамилия, и.о.)




( фамилия, имя, отчество)










(подпись)




(подпись)










(дата)




(дата)






Москва, 2021



Оглавление


МИНОБРНАУКИ РОССИИ 3

I.Введение 5

II.Конструктивный тепловой расчет 7

1.Предварительный расчет 7

1.1Определение теплофизических свойств горячего и холодного теплоносителей: 7

1.2Определение мощности теплообменного аппарата по исходным данным: 7

1.3Определение средней разности температур между теплоносителями m: 8

1.4Определение оптимального диапазона площадей проходных сечений (f1 , f2) и минимального индекса противоточности Pmin ТА: 8

1.5Определение водяного эквивалента kF и площади поверхности F теплообмена теплообменного аппарата. 9

2.Предварительный выбор ТА по каталогу: 10

3.Расчет коэффициентов теплоотдачи от горячего теплоносителя к стенке 1 и от стенки к холодному теплоносителю 2 , термических сопротивлений стенки трубы и загрязнений : 11

4.Определение коэффициента теплопередачи, водяного эквивалента и площади поверхности теплообмена ТА: 13

5.Выбор теплообменного аппарата по каталогу: 13

III.Проверочный тепловой расчет 14

1.Определение фактической тепловой мощности выбранного теплообменного аппарата Q: 14

Рассчитаем индекс противоточности: 15

2.Расчет действительных конечные температуры теплоносителей : 15

IV.Графическая часть 16

V.Вывод 18

VI.Список литературы 19




МИНОБРНАУКИ РОССИИ



РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина


Факультет

проектирования, сооружения и эксплуатации систем трубопроводного транспорта

Кафедра

термодинамики и тепловых двигателей


ЗАДАНИЕ НА КУРСОВУЮ РАБОТУ


по дисциплине

Техническая термодинамика и теплотехника




на тему

Тепловой расчет теплообменных аппаратов




ДАНО студенту

МЕЛЬНИКУ ВЛАДИСЛАВУ КОНСТАНТИНОВИЧУ

группы

ХЭ-19-08




(фамилия, имя, отчество в дательном падеже)




(номер группы)


Содержание работы:


I

Введение. Классификация теплообменных аппаратов.

II

Конструктивный тепловой расчет.




1. Определение:




  • теплофизических свойств горячего и холодного теплоносителей (cpm , , , , Pr),

  • мощности теплообменного аппарата Q по исходным данным,

  • средней разности температур между теплоносителями m ,

  • оптимального диапазона площадей проходных сечений (f1 , f2) и минимального индекса противоточности Pmin ТА,

  • водяного эквивалента kF и площади поверхности F теплообмена теплообменного аппарата.




2. Предварительный выбор теплообменного аппарата по каталогу.




3. Расчет коэффициентов теплоотдачи от горячего теплоносителя к стенке 1 и от стенки к холодному
теплоносителю 2 , термических сопротивлений стенки трубы и загрязнений .




4. Определение коэффициента теплопередачи, водяного эквивалента и площади поверхности теплообмена ТА.




5. Выбор теплообменного аппарата по каталогу.

III

Проверочный тепловой расчет.




1. Определение фактической тепловой мощности выбранного теплообменного аппарата Q.




2. Расчет действительных конечные температуры теплоносителей ( , ).


Исходные данные для выполнения работы:




Горячий теплоноситель – Масло МС-20
Характеристики теплоносителя: G1 = - кг/с; ;


Холодный теплоноситель – Вода


Характеристики теплоносителя: G2 = 9,3 кг/с; ;


Тип теплообменного аппарата (ТА):




Рекомендуемая литература:




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



Трошин А.К., Купцов С.М., Калинин А.Ф. Термодинамические и теплофизические свойства рабочих тел теплоэнергетических установок. –М.: МПА-ПРЕСС, 2006. – 78 с. с илл.



Термодинамика и теплопередача в технологических процессах нефтяной и газовой промышленности/А.Ф. Калинин, С. М. Купцов, А.С. Лопатин, К.Х. Шотиди: Учебник для вузов. – М.: Российский государственный университет нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина, 2016. – 264 с. с илл.


Графическая часть:


IV

Графическая часть курсовой работы включает в себя схему ТА и температурную диаграмму теплоносителей.


Руководитель:

-




Старший преподаватель










Мерициди И.И.




(уч.степень)




(должность)




(подпись)




(фамилия, имя, отчество)





Задание принял к исполнению:

студент










Мельник В.К.







(подпись)




(фамилия, имя, отчество)



  1. Введение


Теплообменные аппараты (ТА) – устройства, предназначенные для передачи теплоты от одного теплоносителя к другому. Они широко применяются в нефтедобывающей, газовой, нефтеперерабатывающей и химической промышленности. Наиболее широко распространены в настоящее время кожухотрубные теплообменники.

Кожухотрубные теплообменники относятся к поверхностным теплообменным аппаратам рекуперативного типа. Их широкое распространение обусловлено прежде всего надёжностью конструкции и большим набором вариантов исполнения для различных условий эксплуатации.

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

Различают следующие типы кожухотрубных теплообменных аппаратов:



Кожухотрубные теплообменные аппараты с неподвижными трубными решетками отличаются простотой конструкции и, следовательно, меньшей стоимостью.

В зависимости от расположения теплообменных труб различают теплообменные аппараты горизонтального и вертикального типа, а в зависимости от числа перегородок в распределительной камере и задней крышке кожухотрубчатые теплообменные аппараты делятся на одноходовые, двухходовые и многоходовые в трубном пространстве.

В зависимости от числа продольных перегородок, установленных в межтрубном пространстве, кожухотрубные теплообменники делятся на одно- и многоходовые в межтрубном пространстве.

Теплообменники c неподвижными трубными решётками применяются, если максимальная разность температур теплоносителей не превышает 80 0С, и при сравнительно небольшой длине аппарата. Эти ограничения объясняются возникающими в кожухе и в теплообменных трубах температурными напряжениями, способными нарушить герметичность конструкции аппарата.

Кожухотрубчатые теплообменные аппараты с плавающей головкой (с подвижной трубной решёткой) являются наиболее распространённым типом кожухотрубных теплообменников. Подвижная трубная решётка позволяет трубному пучку свободно перемещаться независимо от корпуса, что значительно снижает температурные напряжения как в кожухе, так и в теплообменных трубах.

Кожухотрубчатые теплообменники с U-образными трубами имеют одну трубную решётку, в которую завальцованы оба конца U-образных теплообменных труб. Отсутствие других жёстких связей теплообменных U-образных труб с кожухом обеспечивает свободное удлинение труб при изменении их температуры. Кроме того, преимущество теплообменников с U-образными трубами заключается в отсутствии разъёмного соединения внутри кожуха (в отличии от ТА с плавающей головкой), что позволяет успешно применять их при повышенных давлениях теплоносителей, движущихся в трубном пространстве. Недостатком таких аппаратов является трудность чистки внутренней и наружной поверхности труб, вследствие чего они используются преимущественно для чистых продуктов.



  1. Конструктивный тепловой расчет

  1. Предварительный расчет


Таблица 1 – Исходные данные

Теплоноситель

G, кг/с

t’, ˚С

t’’, ˚С

Горячий: Масло МС-20

-

120

66

Холодный: Вода

9,3

20

57



      1. Определение теплофизических свойств горячего и холодного теплоносителей:


Найдем среднюю температуру носителей:

(1)



Для этих величин найдем справочные данные теплофизических свойств

Таблица 2

Теплофизические свойства теплоносителей




Теплоноситель

𝑡𝑐𝑝, oC

ρ кг/м3

cр, Дж/(кг∙К)

λ, Вт/(м∙К)

ν∙1062

Pr

Масло МС-20

93

850,85

2269

0,1257

25,58

391,6

Вода

38,5

992,725

4174

0,63245

0,681

4,4765
      1. Определение мощности теплообменного аппарата по исходным данным:


Тепловая мощность теплообменного аппарата Q при заданных температурных режимах и расходах теплоносителей рассчитывается по формуле:

(2)

Где η – коэффициент, учитывающий тепловые потери в окружающую среду:



Для расчетов возьмем среднее значение η=0,97.






      1. Определение средней разности температур между теплоносителями m:


Средняя разность температур между теплоносителями θm рассчитывается по уравнению Грасгофа для противоточной схемы движения теплоносителей:

(3)

где θ1= t1- t2’’, а θ2 = t1’’- t2.








      1. Определение оптимального диапазона площадей проходных сечений (f1 , f2) и минимального индекса противоточности Pmin ТА:


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

(4)

(5)
где 𝜔𝑚𝑎𝑥 и 𝜔𝑚𝑖𝑛 максимальная и минимальная рекомендуемые скорости потоков теплоносителей. Так как масло обладает большей вязкостью, направляем ее в межтрубное пространство, а воду – в трубное. Тогда у нас: 𝜔тр=0,5÷3м/c и 𝜔мтр=0,2÷1,0м/c.







Найдем минимальный индекс противоточности:



(6)



      1. Определение водяного эквивалента kF и площади поверхности F теплообмена теплообменного аппарата.


Коэффициент теплопередачи от горячего к холодному теплоносителю определяется по соотношению:

(7)

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), – коэффициент теплопроводности стенки теплообменных труб.

Примем:

αтр=11500 Вт/( м2*К);

αмтр=325 Вт/( м2*К);

2*К)/Вт;

2*К)/Вт;

м;

Вт/(м*К);

Расчетная площадь поверхности теплообмена:



Рассчитаем водяной эквивалент:



(8)




  1. Предварительный выбор ТА по каталогу:


По диапазону площадей проходных сечений трубного fтр.min – fтр.max и межтрубного fмтр.min – fмтр.max пространства, а также по величине расчетной площади поверхности теплообмена Fрасч выбирается теплообменный аппарат таким образом, что fmin < f < fmax и Fст ≈ Fрасч

Выбираем по каталогу кожухотрубный теплообменный аппарат с неподвижными трубными решетками и температурным компенсатором на кожухе и заносим его параметры в таблицу.


Таблица 3

Поверхности теплообмена ТА и проходные сечения трубного и межтрубного пространства




Диаметр кожуха, мм

Наружный диаметр труб dн, мм

Число ходов по трубам

nх

Площадь проходного
сечения f.102, м2

Площадь

поверхности теплообмена F2)


при длине

труб l (мм)



Длина труб l (мм)

Наружный

Внутренний

Одного хода по трубам

В вырезе перегородки

Между

перегородками



-

800

20

6

2,0

6,5

7,0

116

3000



  1. Расчет коэффициентов теплоотдачи от горячего теплоносителя к стенке 1 и от стенки к холодному
    теплоносителю 2 , термических сопротивлений стенки трубы и загрязнений :


Коэффициент теплоотдачи в трубном пространстве рассчитывается по уравнению:

(9)

где 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:

(10)

(11)

Число Рейнольдса рассчитывается по уравнению :



(12)

По значению Re выбираем значения коэффициентов: С=0,021; j=0,8; y=0,43; i=0. По средней температуре стенки трубы °C определяем Prc=2,73. При средней температуре потока определяем Pr=4,48.

Таким образом:

Коэффициент теплоотдачи в межтрубном пространстве определяется по формуле:



(13)

где Nu, Re, Pr –числа подобия для теплоносителя, движущегося в межтрубном пространстве ТА, при средней арифметической температуре потока.

Средняя скорость теплоносителя в межтрубном пространстве:

(14)

(15)



По значению Re выбираем значения коэффициентов

С1 = 0,71; m = 0,5; n = 0,36;

Поправочный коэффициент определяется по графику 9 [1], значения определяется по таблице 2-8 [1]:

Zn=16, Cz=1.

Поправочный коэффициент определяется по таблице 2-7 [1]:

C=0,659

По средней температуре стенки трубы °C определяем Prc=1055,5. При средней температуре потока определяем Pr=391,6.

Таким образом:


  1. Определение коэффициента теплопередачи, водяного эквивалента и площади поверхности теплообмена ТА:


Уточняем значение коэффициент теплопередачи от горячего к холодному теплоносителю:


Определим значения характеристик R и PS:



По значениям характеристик R и PS с учетом схемы движения теплоносителей из графиков определяем t :

t =1;

(16)


Рассчитаем водяной эквивалент:

Уточняем расчетную площадь поверхности теплообмена:




  1. Выбор теплообменного аппарата по каталогу:


Для выбранного предварительно аппарата расхождение в площади поверхности теплообмена:

Это говорит о необходимость увеличить длину труб и, следовательно, площадь теплообмена:


Таблица 4

Поверхности теплообмена ТА и проходные сечения трубного и межтрубного пространства


Диаметр кожуха, мм

Наружный диаметр труб dн, мм

Число ходов по трубам

nх

Площадь проходного
сечения f.102, м2

Площадь

поверхности теплообмена F2)


при длине

труб l (мм)



Длина труб l (мм)

Наружный

Внутренний

Одного хода по трубам

В вырезе перегородки

Между

перегородками



-

800

20

6

2,0

6,5

7,0

155

4000

В таком случае погрешность составит:



Значит, выбор можно считать правильным.


  1. Проверочный тепловой расчет

  1. Определение фактической тепловой мощности выбранного теплообменного аппарата Q:


Фактическая тепловая мощность выбранного стандартного теплообменного аппарата рассчитывается по уравнению:

(17)

где W1 – водяной эквивалент для горячего теплоносителя, W2 – водяной эквивалент для холодного теплоносителя, k – коэффициент теплопередачи, Fст – площадь поверхности теплообмена выбранного стандартного теплообменного аппарата по каталогу, Wm – приведенный водяной эквивалент.

Рассчитаем водяные эквиваленты горячего и холодного теплоносителей:

(18)




Рассчитаем индекс противоточности:




(19)





Рассчитаем приведенный водяной эквивалент:



(20)




  1. Расчет действительных конечные температуры теплоносителей :


(21)






  1. Графическая часть


На рисунке 1 показана схема выбранного ТА. Рис. – 1. Схема шестиходового теплообменного аппарата 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 - перегородка в распределительной камере; 9 - штуцеры.


На рисунке 2 показана схема движения теплоносителей и положение перегородок в распределительной камере и задней крышке теплообменного аппарата.



Число ходов по трубам

Распределительная
камера

Задняя крышка

6





Рис. 2. Схемы движения теплоносителей и положение перегородок в распределительной камере и задней крышке теплообменного аппарата

На рисунке 3 представлена температурная диаграмма теплоносителей.

Рис.3 - Температурная диаграмма теплоносителей

  1. Вывод


В процессе расчета теплообменного аппарата определена его конструкция, вычислены мощность выбранного стандартного ТА и действительные конечные температуры теплоносителей. Выбранный аппарат является шестиходовым кожухотрубным теплообменным аппаратом с неподвижными трубными решетками и температурным компенсатором на кожухе.

Погрешности по расчетам конечных температур теплоносителей составили 0,61% (горячий теплоноситель – масло МС-20) и 2,46% (холодный теплоноситель - вода) от расчетных. Результаты расчетов подтвердили возможность использования стандартного теплообменника при заданных температурах и массовых расходах теплоносителей. В работе так же указана схема выбранного ТА и температурная диаграмма носителей.



  1. Список литературы



Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации