Виды расчетов теплообменных аппаратов, их классификация и устройство

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

В процессах нефте- и газопереработки для обеспечения необходимой температуры в аппаратах требуется подводить и отводить тепло. Для этого на технологических установках широко используются специальные аппараты, называемые теплообменными или теплообменниками.

В аппаратах, предназначенных для нагрева или охлаждения, происходит теплообмен между двумя потоками, при этом один из них нагревается, а другой охлаждается. Поэтому вне зависимости от того, что является целевым назначением аппарата: нагрев или охлаждение, их называют теплообменными аппаратами.

Применительно к нефтегазоперерабатывающей промышленности теплообменные аппараты классифицируются по способу передачи тепла и назначению,

В зависимости от способа передачи тепла аппараты делятся на следующие группы.

Поверхностные теплообменные аппараты, в которых передача тепла между теплообменивающимися средами осуществляется через поверхность, разделяющую эти среды.

Аппараты смешения, в которых передача тепла между теплообменивающимися средами происходит при их непосредственном контакте.

В зависимости от назначения аппараты делятся на следующие группы.

Теплообменники - в них один поток нагревается за счет использования тепла другого, получаемого в технологическом процессе и подлежащего в дальнейшем охлаждению.

Нагреватели, испарители, кипятильники - в них нагрев или частичное испарение осуществляется за счет использования высокотемпературных потоков нефтепродуктов или специальных теплоносителей (водяной пар, масло и др.).

Холодильники и конденсаторы - они предназначены для охлаждения потока или конденсации паров с использованием специального охлаждающего агента (вода, воздух, испаряющийся аммиак, пропан и др.).

Кристаллизаторы предназначены для охлаждения соответствующих жидких потоков до температур, обеспечивающих образование кристаллов некоторых составляющих смесь веществ. В качестве охлаждающего агента используются вода или специальные хладагенты в виде охлажденных рассолов, испаряющихся аммиака, пропана и др.

В зависимости от характера направления потоков теплообменные аппараты делятся на прямоточные, противоточные, смешанного и перекрестного тока.

Теплообменные аппараты типа «труба в трубе» по конструкции делятся на однопоточные (неразборные и разборные) и многопоточные.

Во многих случаях аппараты типа «труба в трубе» работают с более высокими тепловыми показателями, чем кожухотрубчатые теплообменники.

В теплобменных аппаратах разборной конструкции внутренние трубы в ряде случаев с наружной поверхности выполняются с оребрением, позволяющим в 4-5 раз увеличить их поверхность теплообмена. Оребрение внутренних труб используют, как правило, в тех случаях, когда со стороны одной из теплообменивающихся сред трудно обеспечить высокий коэффициент теплоотдачи (движется газ, вязкая жидкость, поток имеет ламинарный характер и т.п.).

Для повышения эффективности теплообмена в трубном пространстве используют методы воздействия на поток устройствами, разрушающими и турбулизирующими движение потока в трубе.

Недостатками теплообменных аппаратов типа «труба в трубе» по сравнению с кожухотрубчатыми аппаратами являются большие габариты, а также более высокий расход металла на единицу поверхности нагрева.

Теплообменные аппараты типа «труба в трубе» жесткой конструкции, так же как и кожухотрубчатые с неподвижными решетками, используются при сравнительно небольшой разности температур теплообменивающихся сред и при теплообмене незагрязненных жидкостей.

В теплообменных аппаратах типа «труба в трубе» разборной конструкции сравнительно легко очищаются внутренняя и наружная поверхности труб; эти аппараты обладают высоким коэффициентом теплопередачи и являются надежными в эксплуатации.

Кристаллизатор типа «труба в трубе» предназначен для получения и роста кристаллов, поэтому в аппарате должен быть обеспечен оптимальный тепловой и гидродинамический режим. В кристаллизаторах по внутренней трубе движется охлаждаемый раствор масла, а по кольцевому пространству - охлаждающая среда. Во избежание отложения парафина на внутренней поверхности трубы кристаллизаторы снабжены вращающимся валом со скребками, удаляющими парафин. Это необходимо, чтобы повысить эффект теплообмена.

В последнее время все более широкое применение находят поверхностные теплообменники из листового материала, главным образом спиральные и пластинчатые.

В инженерной практике при выборе теплообменного аппарата необходимо провести конструктивный и проверочный тепловые расчеты, а также гидравлический расчет теплообменных аппаратов.

Конструктивный тепловой расчет проводится для того, чтобы выбрать теплообменный аппарат при их серийном производстве на заводах или спроектировать новый аппарат. В результате конструктивного расчета выбирается тип аппарата, его конструкция, схема течения теплоносителей, материал для изготовления отдельных элементов и определяется размер и масса теплообменного аппарата.

Проверочный тепловой расчет проводится с целью определить мощность теплообменного аппарата и конечные температуры теплоносителей, омывающих поверхность нагрева теплообменного аппарата, конструкция и площадь поверхности нагрева которого известны. Проверочный расчет обычно выполняется тогда, когда необходимо выяснить возможность использования уже установленного или проектируемого теплообменного аппарата в условиях, отличных от расчетных.

Гидравлический расчет теплообменного аппарата необходим для определения перепадов давлений теплоносителей и мощностей насосов и компрессоров, перекачивающих теплоносители. Скорости течения теплоносителей при этом выбираются такими, чтобы перепады давлений не превышали допустимых значений, указанных в проектном задании.

1. Конструктивный тепловой расчет

Определение неизвестного массового расхода масла G1 и параметров теплоносителей.

Табл. 1

1) Для нахождения мощности ТА записываем уравнение теплового баланса:

Q1 = Q2

мощность теплообменного аппарата Q по исходным данным:

- коэффициент, учитывающий потери тепла в окруж. среду.

Выписываем теплофизические свойства при tср:

Табл. 2

Bмазут = 6*10-4 (К-1)

Внефть= 7*10-4 (К-1)

Направляем нефть в трубное пространство, а мазут в межтрубное.

2) Средней разности температур между теплоносителями по уравнению Грасгофа:

a) оптимального диапазона площадей проходных сечений трубного пространства ТА:

;

где и максимальная и минимальная рекомендуемые скорости потоков теплоносителей: wmin= 0,5 м/c и wmax= 1 м/c

b) Mинимального индекса противоточности Рmin ТА:

Выбираем противоток

P > Pmin ; 1 > 0,2

c) Определение водяного эквивалента:

3) Площади поверхности F теплообмена теплообменного аппарата:

,

где и коэффициенты теплоотдачи в трубном и межтрубном пространстве. Принимаем =300 для нефти и =400для мазута. Толщина стенки: =2*10-3, = 57,7

Сталь 08.

Определим расчетную площадь поверхности теплообмена:

2. Предварительный выбор теплообменного аппарата по каталогу

а) Выбираем теплообменник с неподвижными трубчатыми решетками.

б) По значениям вязкости и плотности теплоносителей нефть в трубное, а мазут в межтрубное пространство.

в) По диапазону площадей проходных сечений трубного пространства, а также по величине расчетной площади поверхности теплообмена, предварительно выбираем шестиходовой аппарат с площадью теплообмена .

Табл. 3. Конструктивные характеристики выбранного аппарата

Расчет коэффициентов теплоотдачи от горячего теплоносителя к стенке б1 и от стенки к холодному теплоносителю б2 , термических сопротивлений стенки трубы и загрязнений .

Рассчитаем и .

где Re, Pr - числа подобия теплоносителя, движущегося в трубах ТА, при среднеарифметической температуре потока. Prc - число Прандтля теплоносителя, движущегося в теплообменных трубах ТА при средней температуре стенки труб. - коэффициент теплопроводности теплоносителя, движущегося в трубах ТА. и - наружный диаметр и толщина стенки теплообменных труб.

Средняя скорость теплоносителя в трубном пространстве:

Число Рейнольдса:

-ламинарный режим

Число Грасгофа:

Коэф-ент Pr для нефти при tcр неф.=57 єС: Pr=75

Gr*Pr = 85921*75 = 6444091 > 80 000

Из таблицы определяем следующие константы:

C=0.15; j=0.33; y=0.43; i=0,1;

Определим стенки 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:

Коэф-ент Pr для мазута при tcр1.=128 єС: Pr=100

Выбираем коэффициенты из таблиц в конце методички:

m=0,5; n=0,36; C1=0,71

C=0,659; Cz=1; Cn=1,039; =0.737; =0.861 , Zn=16;

Выбираем из графика для мазута при

Рассчитаем

Уточняем k:

Уточняем Fрасч.:

;

Окончательный выбор теплообменника:

Так как расчетная площадь ТА не соответствует предварительному рассчитанному значению, выбираем другой ТА с теми же параметрами за счет изменения длины труб:

Табл. 4

Площадь поверхности теплообменника равна 349 м2, Длина трубы:

l = 9 м.

Используемая литература

кристаллизатор трубный теплоноситель

1) «Расчет и выбор конструкции кожухотрубного теплообменного аппарата» Калинин А.Ф., Москва, «РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина» 2002.

2) «Термодинамические и теплофизические свойства рабочих тел теплоэнергетических установок» Трошин А.К., Москва, «МПА - Пресс» 2006.

3) «Термодинамика и теплопередача» Поршаков Б.П., Москва, «Недра» 1987.

4) Конспект лекций по курсу «Термодинамика и теплотехника».

Размещено на Allbest.ru