Теплообменным аппаратом называется устройство, передающее теплоту от одного теплоносителя к другому. Теплообменные аппараты широко применяются в нефтедобывающей, нефтеперерабатывающей и химической промышленности. Эффективная работа теплообменных аппаратов приводит к сокращению расхода топлива и улучшает технико-экономические показатели установок. Поэтому так важно уметь правильно рассчитывать теплообменные аппараты

Теплообменные аппараты классифицируются по различным признакам. По способу передачи теплоты все теплообменные аппараты разделяются на поверхностные и аппараты смешения. B поверхностных теплообменных аппаратах передача теплоты от одного теплоносителя к другому осуществляется c участием твердой стенки. B смесительных теплообменных аппаратах передача теплоты осуществляется при смешении теплоносителей.

Поверхностные теплообменные аппараты подразделяются на рекуперативные и регенеративные. B рекуперативных теплообменных аппаратах теплота от одного теплоносителя к другому передается через разделяющую их стенку (поверхность теплопередачи), при этом горячая и холодной сpеды одновременно c разных сторон омывают поверхность теплопередачи. B регенеративных теплообменных аппаратах теплоносители попеременно соприкасаются c одной и. той же поверхностью нагрева, которая в первый период нагревается, а во второй период охлаждается, отдавая теплоту холодному теплоносителю.

B поверхностных теплообменных аппаратах горячий и холодный теплоносители могут двигаться различно. От схемы движения сред в прямой зависимости находится и теплообмен между ними, поэтому схемы движения жидкости еще называются схемами теплообмена. Наиболее простыми и распространенными схемами движения являются прямоток, противоток и перекрестный ток.

Наибольшее распространение получили в настоящее время кожухотрубные теплообменники. В большей степени используются теплообменные аппараты жесткой конструкции, теплообменники c компенсаторами температурных напряжений (c линзовыми компенсаторами на корпусе, c плавающей головкой), c U-образными трубками.

Кожухотрубный теплообменный аппарат представляет собой пучок теплообменных труб, находящихся в цилиндрическом корпусе (кожухе). Один из теплоносителей движется внутри теплообменных труб, а другой омывает наружную поверхность труб. Концы труб закрепляются в трубных решетках. В кожух теплообменного аппарата с помощью дистанционных трубок устанавливаются перегородки. Перегородки поддерживают тpyбы от провисания и организуют поток теплоносителя в межтрубном пространстве, интенсифицируя теплообмен. На кожухе имеются штуцеры для входа и выхода теплоносителя из межтрубного пространства. K кожуху теплообменного аппарата c помощью фланцевого соединения крепятся распределительная камера и задняя крышка со штуцерами для входа и выхода продукта из трубного пространства.

В зависимости от числа перегородок в распределительной камере и задней крышке кожухотрубчатые тeплoобмeнныe аппараты делятся на одноходовые, двухходовые и многоходовые в трубном пространстве.

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

Кожухотрубчатые теплообменники c U-образными трубками имеют одну трубную решетку, в которую завальцованы оба конца U-обрaзных теплообменных труб. Отсутствие других жестких связей теплообменных U-образных труб с кожухом обеспечивает свободное удлинение труб при изменении их температуры. Кроме того, преимущество теплообменников с U-образными трубками заключается в отсутствии разъемного соединения внутри кожуха, 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.

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.

3. Расчетная часть

1) Определим температуру холодного теплоносителя на выходе из теплообменного аппарата.

Для этого воспользуемся формулами для вычисления тепловой мощности Q ТА :

з=0,95 (ТА ставится в наиболее трудные условия при расчете).

Подставим данные из табл.1 в данное уравнение, получим:

(1)

Для нахождения сpmx и tх, вых воспользуемся методом приближенных итераций. Будем подбирать tх, сp таким образом, чтобы найденные при tcp значения сpmx и tх, вых при подстановке в уравнение (1) дали нам число в наибольшей степени приближенное к 96401,25

Из (2) и(3) видно, что истинное tх, сp находится в интервале температур от 25oС до 25,2oС. Для нахождения истинных значений tх, сp, сpmx и tх, вых воспользуемся программой, составленной в пакете Microsoft Excel:

Таким образом:

tх, сp=25,1114oC;

tх, вых =48,2228 oC;

сpmx=2085,576 Дж/(кг*К);

2) Определим теплофизические свойства горячего и холодного теплоносителя.

3) Определим тепловую мощность теплообменного аппарата.

Так как мощность теплообменного аппарата рассчитанная по горячему и холодному теплоносителю практически равны, можно сказать что t[х, вых определена правильно.

4) Вычислим среднюю арифметическую разность температур между теплоносителями в теплообменном аппарате иm.

иmL - средняя логарифмическая разность температур между теплоносителями; е?t- коэффициент учитывающий различие между средней логарифмической разностью температур между теплоносителями для противоточной схемы движения иmL и действительной средней разностью температур иm

, где ;

Таким образом,

Для определения значения коэффициента е?t, определим значения характеристик R и PS, и в зависимости от их значения по приложению 1 "Расчет и выбор конструкции кожухотрубного теплообменного аппарата" Калинин А.Ф, Москва, "РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина" 2002;, определим значение е?t

5) Определим площади проходных сечений трубного fтр и межтрубного пространства fмтр при минимальной скорости течения жидкости.

Будем считать, что в трубах теплообменного аппарата течет керосин, а межтрубье - бензин.

(м 2);

(м 2);

6) На основании данных полученных в предыдущем пункте, произведем выбор теплообменного аппарата.

Тип аппарата - ТА с U-образными теплообменными трубками;

Число рядов труб в пучке Z=16;

Число рядов труб в окнах перегородок Zn=8;

Число рядов труб между полостями, проходящими через кромки перегородок Zвп=4;

7) Уточним значение скорости, в соответствии с выбранным теплообменным аппаратом, и вычислим число Рейнольдса

(м/с);

(м/с);

8) Расчет коэффициента теплопередачи k от горячего теплоносителя к холодному.

Для этого необходимо знать истинную температуру стенки трубы. Для ее нахождения используем метод приближенных итераций

1. Зададим температуру стенки в первом приближении, как:

Определим, при этой температуре число Прандтля для теплоносителей по таблицам П-1.2 иП-1.3 "Термодинамические и теплофизические свойства рабочих тел теплоэнергетических установок" Трошин А.К., Москва, "МПА - Пресс" 2006;:

;

2. Вычислим коэффициент теплоотдачи в трубном пространстве бтр.

Так как Reтр=5596,914, то использую табл.7 "Расчет и выбор конструкции кожухотрубного теплообменного аппарата" Калинин А.Ф, Москва, "РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина" 2002;, определяем C=18,4698; j=0; y=0,43; i=0. Таким образом:

(Вт/(м 2*К))

3. Вычислим коэффициент теплоотдачи в межтрубном пространстве бмтр

Неизвестные величины в данной формуле определим в соответствии с выбранным теплообменным аппаратом:

(Вт/(м 2*К))

4. Температура стенки в следующем приближении:

С целью получить более точные результаты, дальнейшие вычисления произведем в программе, составленной в пакете Microsoft Excel:

Результаты, полученные в пунктах 1. - 4. и первой строке таблицы совпадают, следовательно, результатам, приведенным в таблице, можно доверять. Таким образом:

Вт/(м 2*К);

Вт/(м 2*К);

5. Определим коэффициент теплопроводности материала стенки трубы.

Так как tcт=50,1329 оС, то лст=51,474 (Вт/(м*К))

6. Вычислим коэффициент теплопередачи.

Где (д/л)з.тр и (д/л)з.мтр - термические сопротивления загрязнений на внутренней и наружной поверхности теплообменных труб. Для керосина и бензина (д/л)з.тр=(д/л)з.мтр=29*10-4 ((м 2*К)/Вт). Таким образом:

(Вт /(м 2*К))

9) Определим расчетную площадь теплообмена и число теплообменных аппаратов.

(м 2);

Таким образом нам необходим 1 ТА с площадью поверхности теплообмена 46 м 2.

3.2 Проверочный тепловой расчет теплообменного аппарата

1) Рассчитаем фактическую тепловую мощность теплообменного аппарата по формуле Н.И. Белоконя.

1)

1. Рассчитаем водяные эквиваленты горячего и холодного теплоносителей.

(Вт/К);

(Вт/К);

2. Рассчитаем приведенный водяной эквивалент.

Так как был выбран U - образный теплообменный аппарат P=0,5.

(Вт/К);

(Вт);

2) Определим действительные температуры теплоносителей на выходе из теплообменного аппарата.

оС;

оС;

3) Вычислим относительные расхождения температур между действительными и заданными температурами горячего и холодного теплоносителя.

Погрешности не превышают 5%, следовательно, расчет проведен правильно.

3.3 Гидравлический расчет теплообменного аппарата

Расчет падения давления теплоносителей в трубном и межтрубном пространстве ТА кожухотрубный теплообменный гидравлический

1) Вычислим падение давления в трубном пространстве.

В трубное пространство запущен керосин. Так как режим течения турбулентный (Reтр>2300), то коэффициент гидравлического сопротивления внутренней поверхности труб л рассчитывается по формуле:

;

(Па);

2) Вычислим падение давления в межтрубном пространстве.

;

Где ?pп - падение давления теплоносителя при поперечном омывании пучка труб между перегородками; ?pв.п - падение давления в окнах сегментных перегородок; ?pв.к - падение давления во входной и выходной секциях межтрубного пространства; ?pв.м - падение давления на входе и выходе из межтрубного пространства.

A. Определим падение давления теплоносителя при поперечном омывании пучка труб между перегородками.

;

B. Вычислим ?pпо падение давления теплоносителя при обтекании идеального пучка труб поперечным потоком.

;

· Zn - число рядов труб, омываемых поперечным потоком теплоносителя

Zn=8;

· Так как Reтр=5596,914,то:

b1=0,333;

b2=-0,136;

b3=6,59;

b4=0,52;

· t- шаг труб в трубном пучке

t=26*10-3;

(Па);

C. Определим поправочные коэффициенты x1 и x2.

; ;

· Nпер - число сегментных перегородок

Nпер=24;

· r1, r2, r3, r4 - определяющие параметры конструкции

r1=0,113;

r2=0,329;

r3=0,306;

r4=0;

=0,62;

(Па);

D. Вычислим падение давления в окнах сегментных перегородок ?pв.п

;

Где Zв.п - число рядов труб в вырезе перегородок. Zв.п=4;

(Па);

E. Вычислим падение давления во входной и выходной секциях межтрубного пространства ?pв.к

;

- число рядов труб, пересекаемых перегородкой; =12

х 3 - поправочный коэффициент;

- шаг перегородок; = 0,21 (м);

, - расстояние от трубных решеток до ближайших перегородок;

====0,585 (м);

Па;

F. Вычислим падение давления на входе и выходе из межтрубного пространства ?pв.м.

Па;

Таким образом:

Па;

3) Вычислим мощности, необходимые для перекачки теплоносителей через трубное и межтрубное пространство.

4)

Вт;

Вт;

5) Вычислим эффективные мощности привода насосов или компрессоров, необходимые для перекачки теплоносителей через трубное и межтрубное пространство.

Вт;

Вт;

4. Графическая часть курсовой работы