Конструктивный и проверочный тепловые расчеты кожухотрубного теплообменного аппарата гидравлический расчет теплообменника

09128209129208190208178208176209143.docx

«Тепловой расчет теплообменных аппаратов»
Типы кожухотрубных теплообменников и особенности их конструкции4
Предварительный (оценочный) расчет и выбор теплообменного аппарата14
1 Определение основных теплофизических величин14
2Расчет коэффициента теплопередачи и окончательный выбор ТА21
3Проверочный тепловой расчет теплообменного аппарата25
4Гидравлический расчет теплообменного аппарата26
5Определение мощности энергопривода перекачивающих устройств.31
6Оценка энергетической эффективности теплообменного аппарата32
Список использумех источников35
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 теплообменного оборудования затрачивается до 30 % от общего расхода металла на все технологическое оборудование [3].
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
% от всей теплообменной аппаратуры используемой в нефтяной и газовой промышленности.
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 Qст и действительные конечные температуры теплоносителей (t1д t2д). 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.
ТИПЫ КОЖУХОТРУБНЫХ ТЕПЛООБМЕННИКОВ И ОСОБЕННОСТИ ИХ КОНСТРУКЦИИ
Кожухотрубные теплообменники относятся к поверхностным теплообменным аппаратам рекуперативного типа. Широкое распространение этих аппаратов обусловлено прежде всего надежностью конструкции и большим набором вариантов исполнения для различных условий эксплуатации:
Однофазные потоки кипение и конденсация;
Вертикальное и горизонтальное исполнение;
Широкий диапазон давлений теплоносителей от вакуума до 80 МПа;
Площади поверхности теплообмена от малых (1 м2) до предельно больших (1000 м2 и более);
Возможность применения различных материалов в соответствии с требованиями к стоимости аппаратов агрессивностью температурными режимами и давлением теплоносителей;
Использование различных профилей поверхности теплообмена как внутри труб так и снаружи и различных турбулизаторов;
Возможность извлечения пучка труб для очистки и ремонта.
Различают следующие типы кожухотрубных теплообменных аппаратов:
Теплообменные аппараты с неподвижными трубными решетками (жесткотрубные ТА);
Теплообменные аппараты с неподвижными трубными решетками и с линзовым компенсатором на кожухе;
Теплообменные аппараты с плавающей головкой;
Теплообменные аппараты с U – образными трубами.
Кожухотрубные теплообменные аппараты с неподвижными трубными решетками отличаются простотой конструкции и следовательно меньшей стоимостью (рис. 1).
Рис. 1. Кожухотрубчатый теплообменник с неподвижными
- распределительная камера; 2 - кожух; 3 - теплообменная труба; 4 - поперечная перегородка; 5 - трубная решетка; 6 - задняя крышка кожуха;
- опора; 8 - дистанционная трубка; 9 - штуцеры; 10 - перегородка в распределительной камере; 11 - отбойник
Кожухотрубный теплообменный аппарат представляет из себя пучок теплообменных труб находящихся в цилиндрическом корпусе (кожухе). Один из теплоносителей движется внутри теплообменных труб а другой омывает наружную поверхность труб. Концы труб закрепляются с помощью вальцовки сварки или пайки в трубных решетках. В кожух теплообменного аппарата с помощью дистанционных трубок устанавливаются перегородки. Перегородки поддерживают трубы от провисания и организуют поток теплоносителя в межтрубном пространстве интенсифицируя теплообмен. К кожуху теплообменного аппарата привариваются штуцеры для входа и выхода теплоносителя из межтрубного пространства. На входе теплоносителя в межтрубное пространство в ряде случаев устанавливают отбойники необходимые для уменьшения вибрации пучка труб равномерного распределения потока теплоносителя в межтрубном пространстве и снижения эрозии ближайших к входному штуцеру труб. К кожуху теплообменного аппарата с помощью фланцевого соединения крепятся распределительная камера и задняя крышка со штуцерами для входа и выхода продукта из трубного пространства [2].
В зависимости от расположения теплообменных труб различают теплообменные аппараты горизонтального и вертикального типа.
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 решетками 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.
Для частичной компенсации температурных напряжений в кожухе и в теплообменных трубах используются специальные гибкие элементы (расширители компенсаторы) установленные на кожухе аппарата. Такие теплообменники называются теплообменными аппаратами с температурным компенсатором на кожухе (рисунок 2).
Рисунок 2 - Вертикальный кожухотрубчатый теплообменник с неподвижными трубными решетками и температурным компенсатором на кожухе:
- распределительная камера; 2 - трубные решетки; 3 - компенсатор;
- кожух; 5 - опора; 6 - теплообменная труба; 7 - поперечная перегородка;
- задняя крышка кожуха; 9 - дистанционная трубка; 10 - штуцеры
В аппаратах подобного типа используют одно- и многоэлементные линзовые компенсаторы.
Кожухотрубчатые теплообменные аппараты с плавающей головкой
(с подвижной трубной решеткой) являются наиболее распространенным типом кожухотрубных теплообменников (рисунок 3). Подвижная трубная решетка позволяет трубному пучку свободно перемещаться независимо от корпуса что значительно снижает температурные напряжения как в кожухе так и в теплообменных трубах [2].
Рисунок 3 - Кожухотрубчатый теплообменник с плавающей головкой:
- крышка распределительной камеры; 2 - распределительная камера;
- неподвижная трубная решетка; 4 - кожух; 5 - теплообменная труба;
- поперечная перегородка; 7 - подвижная трубная решетка; 8 - задняя крышка кожуха; 9 - крышка плавающей головки; 10 - опора; 11 - катковая опора трубного пучка
Теплообменные аппараты данного типа выполняюся с двумя или с четырьмя ходами по трубному пространству.
Аппараты с плавающей головкой чаще всего выполняются одноходовыми по межтрубному пространству. В аппаратах с двумя ходами по межтрубному пространству устанавливается продольная перегородка.
Кожухотрубчатые теплообменники с U-образными трубами (рис. 4) имеют одну трубную решетку в которую завальцованы оба конца U-образных 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 трубами заключается в отсутствии разъемного 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.
Рисунок 4 - Кожухотрубчатый теплообменник с U-образными
теплообменными трубами:
- распределительная камера; 2 - трубная решетка; 3 - кожух; 4 - теплообменная труба; 5 - поперечная перегородка; 6 - крышка кожуха; 7 - опора;
- катковая опора трубного пучка
Эффективность кожухотрубчатых теплообменных аппаратов 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 кожухотрубчатых теплообменных аппаратов устанавливаются специальные поперечные перегородки. Они также выполняют роль опор трубчатого пучка фиксируя трубы в заданном положении и уменьшают вибрацию труб.
На рисунке 5 показаны поперечные перегородки различных типов. Наибольшее распространение получили сегментные перегородки (рис. 5а).
Рисунок 5 - Поперечные перегородки кожухотрубных аппаратов:
а - с сегментным вырезом; б - с секторным вырезом; в - перегородки «диск-кольцо»; г - со щелевым вырезом; д - «сплошные»
Поперечные перегородки с секторным вырезом (рис. 5б) оснащены дополнительной продольной перегородкой равной по высоте половине внутреннего диаметра кожуха аппарата. Секторный вырез по площади равный четверти сечения аппарата располагают в соседних перегородках в шахматном порядке. При этом теплоноситель в межтрубном пространстве совершает вращательное движение то по часовой стрелке то против нее.
Аппараты со «сплошными» перегородками (рис. 5д) используются обычно для чистых жидкостей. В этом случае жидкость протекает по кольцевому зазору между теплообменными трубами и отверстиями в перегородках.
Для повышения тепловой мощности теплообменных аппаратов при неизменных длинах труб и габаритах теплообменника используется оребрение наружной поверхности теплообменных труб. Оребренные 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.). На рисунке 6 приведены варианты наружного оребрения теплообменных труб.
Рисунок 6 - Оребренные трубы:
а - с приварными «корытообразными» ребрами; б - с завальцованными ребрами; в - с винтовыми накатанными ребрами; г - с выдавленными ребрами;
д - с приварными шиловидными ребрами
Для интенсификации теплоотдачи в трубном пространстве используются методы воздействия на поток устройствами которые турбулизируют теплоноситель в теплообменных трубах. Для этой цели применяются различного рода турбулизирующие вставки варианты исполнения которых представлены на рис. 7.
Рисунок 7 - Теплообменные трубы с турбулизаторами:
а - шнековые завихрители; б - ленточные завихрители; в - диафрагмовые трубы с вертикальными канавками; г - диафрагмовые трубы с наклонными канавками; д - проволочные турбулизаторы; е - турбулизирующие вставки
В кожухотрубных теплообменных аппаратах теплоноситель поступая в межтрубное пространство в силу конструктивных особенностей делится на несколько потоков (рис. 8):
А – основной поперечный поток;
B – перетоки в щелях между отверстиями в поперечных перегородках и теплообменными трубами;
C – перетоки между кромками перегородок и кожухом;
D – байпасный поток через зазор между пучком труб и кожухом.
Разделение потока теплоносителя поступающего в межтрубное пространство на несколько потоков значительно усложняет гидродинамическую картину движения теплоносителя по сравнению с поперечным омыванием пучков труб и оказывает существенное влияние как на конвективный теплообмен так и на падение давления теплоносителя. Распределение потоков в межтрубном пространстве зависит от конструктивных характеристик теплообменного аппарата оптимизация которых является главной задачей при создании новых теплообменников.
Рисунок 8 - Схема потоков теплоносителя в межтрубном пространстве
кожухотрубного теплообменника:
A - основной поперечный поток; В - перетоки в щелях между отверстиями в перегородках и трубами; C - перетоки между кромкой перегородки и кожухом; D - байпасный поток через зазор между пучком труб и кожухом
Учет распределения потоков теплоносителя в межтрубном пространстве необходим так как в противном случае возможны значительные ошибки при определении среднего коэффициента теплоотдачи и падения давления теплоносителя p которые могут составить от 50 до 150 %.
В зависимости от совершенства конструкции теплообменного аппарата меняется и распределение потоков в межтрубном пространстве. При турбулентном режиме течения основной поток (A) не превышает
% от всего потока теплоносителя а при ламинарном – 25 %.
ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ (ОЦЕНОЧНЫЙ) РАСЧЕТ И ВЫБОР ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА
1 Определение основных теплофизических величин
Массовый расход G кгс
Температура на входе в ТА °C
Температура на выходе из ТА °C
Средняя температура нефти II и бензина:
Теплофизические свойства нефти II определяются по эмпирическим формулам при средней температуре t2ср [1]:
сp = S2 + S3 t Дж(кг*К)
*106 = S6 + S7 t - S8 t2 + S9 t3 м2с
*104 =+ А4t + А5 t2 1К
Полученные данные приведены в таблице 2
Теплофизические свойства холодного теплоносителя [1]
Теплофизические свойства нефти при t2ср
Тепловая мощность теплообменного аппарата Q при заданных температурных режимах (t1 t1 t2 t2) и расходах (G1 G2) теплоносителей рассчитывается по формуле ( – коэффициент учитывающий тепловые потери в окружающую среду примем равный 095) [2]:
Теплофизические свойства бензина при t1ср приведены в таблице 3
Теплофизические свойства бензина [1]
Теплофизические свойства бензина при t1ср
Определим тепловую мощность по правой части уравнения:
Определим массовый расход горячего теплоносителя:
Cредняя разность температур между теплоносителями m рассчитывается по уравнению Грасгофа для противоточной схемы движения теплоносителей:
Коэффициент теплопередачи от горячего к холодному теплоносителю определяется по соотношению:
– коэффициенты теплоотдачи в трубном и межтрубном пространствах соответственно ;
– термические сопротивления загрязнений на внутренней наружной поверхностях и термическое сопротивление загрязнений на стенках теплообменных труб соответственно ;
– коэффициент теплопроводности стали из которой изготовлена стенка теплообменных труб ;
– толщина стенки теплообменных труб кожухотрубных ТА (153) мм.
Ориентировочные значения коэффициента теплоотдачи α
в теплообменной аппаратуре [2]
Вид теплоносителя и условия теплоотдачи
Конвективная теплоотдача вязких жидкостей
(масла мазуты нефти растворы солей и т.д.)
Конвективная теплоотдача маловязких жидкостей (вода бензин керосин газойль и т.д.)
Термические сопротивления загрязнений на поверхности теплообмена кожухотрубных теплообменников промышленного назначения [3]
Термические сопротивления загрязнений Rз*104 (м2.К)Вт
Органические продукты жидкие (бензин керосин газойль)
Материал теплообменных труб выбирается в зависимости от термобарических параметров теплоносителей и их агрессивности. Примем хромистую нержавеющую сталь Х13 тогда
Толщина стенки теплообменных труб кожухотрубных ТА мм.
Тогда предварительный (оценочный) коэффициент теплопередачи:
Одним из критериев выбора кожухотрубного теплообменного аппарата является расчетная площадь поверхности теплообмена которая определяется по формуле [3]:
Другим критерием определяющим выбор серии кожухотрубных теплообменников являются диапазоны площадей проходных сечений трубного fтр и межтрубного fмтр пространства. Приемлемые диапазоны площадей проходных сечений трубного и межтрубного пространства находятся с использованием рекомендуемых диапазонов скоростей теплоносителей из соотношений [3]:
и – минимальная и максимальная рекомендуемые скорости потоков теплоносителей;
ρ и G – плотность и массовый расход теплоносителя.
Скорости теплоносителей выбираются по таблице 6.
Рекомендуемые скорости теплоносителей в ТА [3]
Жидкости вязкие (легкие и тяжелые масла мазуты нефти растворы солей и т.д.)
Жидкости маловязкие (вода бензин керосин газойль и т.д.)
Стоит отметить так как бензин является менее вязким веществом он находится в трубном пространстве соответственно нефть II в межтрубном следовательно получаем:
Тогда оптимальные диапазоны площадей проходных сечений:
– трубное пространство.
– межтрубное пространство.
Выбираемый теплообменный аппарат должен быть способен обеспечить заданные температурные режимы теплоносителей. Это условие выполняется только в случае если индекс противоточности выбранной конструкции теплообменного аппарата P при заданных температурных режимах и водяных эквивалентах теплоносителей больше или равен минимальному индексу противоточности Pmin [3].
Минимальный индекс противоточности определяется только заданными температурами теплоносителей на входе и выходе из ТА и рассчитывается по формуле [3]:
Определяем истинный индекс противоточности P выбранного теплообменного аппарата и проверяем условие при котором аппарат способен обеспечить заданные температурные режимы теплоносителей.
Для сложных схем определение индекса противоточности P выбранного теплообменного аппарата начинается с расчета характеристик от которых наряду со схемой движения теплоносителя зависит значение индекса [3].
По значениям этих характеристик с учетом схемы движения теплоносителей (число ходов по трубному и межтрубному пространству) из графиков (Приложение I) определяется – коэффициент учитывающий различие между средней логарифмической разностью температур между теплоносителями для противоточной схемы движения mL и действительной средней разностью температур m.
Рисунок 9 - Зависимость от характеристик R и PS для двухходовых (по трубному пространству) кожухотрубных теплообменных аппаратов [2]
Характеристическая разность температур T в работе определяется с помощью программы Excel 2016 из следующего соотношения:
где – средняя арифметическая разность температур между теплоносителями в теплообменном аппарате:
Индекс противоточности для выбранной схемы теплообменного аппарата определяется по уравнению Н. И. Белоконя для характеристической разности температур [3]:
Условие при котором аппарат способен обеспечить заданные температурные режимы теплоносителей:
Выбираем кожухотрубный теплообменный аппарат с неподвижными трубными решетками и температурным компенсатором на кожухе.
Поверхности теплообмена ТА и проходные сечения трубного и межтрубного пространств [2]
Диаметр кожуха (внутренний) Dк мм
Наружный диаметр труб dн мм
Число ходов по трубам nх
Площадь проходного сечения f*102 м2
Площадь поверхности теплообмена F (м2) при длине труб l (мм)
2Расчет коэффициента теплопередачи и окончательный выбор ТА
Коэффициент теплоотдачи в трубном пространстве αтр находится из соотношения [3]:
где Re Pr Gr – числа подобия теплоносителя движущегося в теплообменных трубах ТА при средней арифметической температуре потока;
Prс - число Прандтля теплоносителя движущегося в теплообменных трубах ТА при средней температуре стенки труб;
тр – коэффициент теплопроводности теплоносителя движущегося в теплообменных трубах ТА;
dн ст – наружный диаметр и толщина стенки теплообменных труб.
Средняя скорость теплоносителя в трубном пространстве выбранного стандартного теплообменного аппарата необходимая для определения числа Рейнольдса Reтр рассчитывается по формуле [3]:
Средняя скорость теплоносителя в межтрубном пространстве выбранного стандартного теплообменного аппарата необходимая для определения числа Рейнольдса Re рассчитывается по формуле [3]:
где Gмтр мтр – массовый расход и плотность теплоносителя движущегося в межтрубном пространстве;
fв.п fм.п - площади проходного сечения в вырезе перегородки и между перегородками в межтрубном пространстве выбранного ТА.
Найдем значение Reтр по формуле [3]:
Делаем вывод что режим переходный так как 2300≤Re≤10^4
Коэффициенты для уравнения 2.1
Значение коэффициентов в уравнении для αтр
Найдем значение Pr по формуле:
Найдем значение Gr по формуле:
Найдем значение Prc по формуле:
Значение коэффициент теплоотдачи в трубном пространстве αтр по формуле 2.1:
Коэффициент теплоотдачи в межтрубном пространстве αмтр находится преобразованием следующей формулы [3]:
Найдем значение Reмтр по формуле:
Значения коэффициентов в уравнении зависят от расположения труб в пучке и значений чисел Рейнольдса (таблица 8). В выбранном теплообменном аппарате трубы располагаются по вершинам треугольника:
Значения коэффициентов C1 m n в уравнении [3]
Выбранный теплообменный аппарат является стандартным следовательно расположение труб в пучке будет по вершинам треугольника:
Значение коэффициента Cz находим по графику:
График 1 - Зависимость коэффициент Cz от числа рядов труб в пучке омываемых в поперечном направлении Zп
Значения коэффициентов для выбранного ТА из приложения [3]
Тогда значение вычисляется по формуле:
Уточним значение коэффициента теплоотдачи :
тогда площадь поверхности теплообмена:
Расчетная площадь поверхностного теплообмена мало отличается от табличного значения [2 стр. 57] следовательно ТА будет состоять из 1-х теплообменников стандартной серии при длине труб l=9000 мм Fтабл=606 м2.
3Проверочный тепловой расчет теплообменного аппарата
Целью проверочного расчета теплообменного аппарата является определение фактической тепловой мощности выбранного стандартного теплообменного аппарата Qст действительных температур теплоносителей на выходе из ТА ( ) и оценка выбора теплообменного аппарата [3].
Фактическая тепловая мощность выбранного стандартного теплообменного аппарата рассчитывается по формуле Н. И. Белоконя [3 стр. 38]:
– площадь поверхности теплообмена выбранного стандартного теплообменного аппарата;
k – коэффициент теплопередачи;
приведенный водяной эквивалент.
Действительные температуры теплоносителей на выходе из теплообменного аппарата определяются из следующих соотношений [3]:
Относительные расхождения температур между действительными и заданными температурами горячего и холодного теплоносителя:
Удовлетворяет условию 5 8% следовательно выбор кожухотрубного теплообменного аппарата можем считать справедливым.
4Гидравлический расчет теплообменного аппарата
При движении теплоносителей в теплообменных аппаратах возникает гидравлическое сопротивление которое препятствует движению. На преодоление этого сопротивления расходуется кинетическая энергия потока. Она должна сообщаться жидкости извне насосом компрессором вентилятором или другим источником энергии. Цель гидравлического расчета теплообменного аппарата заключается в определении падения давления теплоносителей в трубном и межтрубном пространстве ТА и мощности энергопривода насосов или компрессоров используемых для прокачки теплоносителей через теплообменный аппарат.
Падение давления теплоносителя в трубном пространстве ТА определяется из соотношения:
Так как выбранный теплообменный аппарат горизонтальный и многоходовой по трубному пространству и в нем не происходит изменения агрегатного состояния теплоносителя движущегося по трубам падение давления теплоносителя в трубном пространстве кожухотрубного теплообменного аппарата может быть рассчитано по формуле:
где – длина и внутренний диаметр теплообменных труб; – средние плотность и скорость теплоносителя движущегося в трубах; – число ходов по трубному пучку; – коэффициенты местных сопротивлений на входе и выходе из трубного пространства ; – коэффициент местного сопротивления в промежуточной камере при переходе потока из одной секции трубного пространства в другую (поворот потока на 180 0) ; – коэффициент гидравлического сопротивления внутренней поверхности труб.
Вычислим коэффициент гидравлического сопротивления внутренней поверхности труб:
Вычислим падение давления по формуле 4.2:
При расчете падения давления теплоносителя в межтрубном пространстве следует учитывать что характер омывания потоком теплоносителя трубного пучка в кожухотрубных теплообменных аппаратах в значительной степени отличается от поперечного омывания идеального пучка гладких труб. Это в значительной степени усложняет гидродинамическую картину движения теплоносителя и саму методику расчета падения давления теплоносителя движущегося в межтрубном пространстве.
Падение давления теплоносителя в межтрубном пространстве определяется из соотношения:
где – падение давления теплоносителя при поперечном омывании пучка труб между перегородками; – падение давления в окнах сегментных перегородок; – падение давления во входной и выходной секциях межтрубного пространства; – падение давления на входе и выходе из межтрубного пространства.
Падение давления теплоносителя при поперечном омывании пучка труб между перегородками рассчитывается по формуле:
где – падение давления теплоносителя при обтекании идеального пучка труб поперечным потоком
– число сегментных перегородок (Приложение II таблица 2-3) [2]; – коэффициенты учитывающие распределение потоков в межтрубном пространстве; – Эйлера; – число рядов труб омываемых поперечным потоком теплоносителя (Приложение II таблица 2-8) [2]; – средняя скорость теплоносителя в межтрубном пространстве - коэффициенты зависящие от расположения труб в пучке и от значений числа Рейнольдса (таблица 11); – наружный диаметр теплообменных труб; – шаг труб в трубном пучке (Приложение II рисунок 2-3) [2].
Рисунок 10 - Схема расположения труб в пучке
Геометрические характеристики расположения труб в пучке [2].
Наружный диаметр труб
Поперечный шаг труб
Значение коэффициентов поправочных коэффициентов
В вершинах треугольника
Число рядов труб в пучке Z в окнах перегородок Zв.п и между плоскостями проходящими через кромки перегородок Zп [2].
Число сегментных перегородок Nпер и расстояние между ними l
Поправочный коэффициент в уравнении (4.6) учитывающий влияние на падение давления теплоносителя в межтрубном пространстве потоков проходящих в зазорах между трубами и отверстиями в перегородках и между кожухом и сегментными перегородками определяется по формуле:
Где – определяющие параметры конструкции (Приложение II табл. 2-5) [2].
Поправочный коэффициент x2 в уравнении (4.6) учитывающий байпасные потоки находится из соотношения:
где – определяющие параметры конструкции (Приложение II табл. 2-6) [2].
Подставляя значения получим следующие равенства:
Падение давления в окнах сегментных перегородок рассчитывается по формуле:
где – число рядов труб в вырезе перегородок (Приложение II табл. 2-8) [2].
Течение потока теплоносителя во входной и выходной секциях межтрубного пространства отличается от течения в центральной части аппарата. Это объясняется тем что расстояние от входного и выходного патрубков до крайних перегородок может отличаться от шага перегородок в центральной части а число рядов труб в этих секциях которые омываются поперечным потоком больше чем в центральной части (Приложение II табл. 2-8) [2]. Учитывая эти особенности падение давления теплоносителя во входной и выходной секциях межтрубного пространства рассчитывается по формуле:
где - число рядов труб пересекаемых перегородкой; - шаг перегородок; – расстояние от трубных решеток до ближайших перегородок.
Падение давления теплоносителя обусловленное местными сопротивлениями на входе и выходе из межтрубного пространства определяется по соотношению:
где – коэффициенты местных сопротивлений на входе и выходе из межтрубного пространства ; .
Так как выбранный ТА – горизонтальный при движении теплоносителя в межтрубном пространстве не происходит изменения агрегатного состояния то последними двумя слагаемыми в уравнении (3.5) можно пренебречь.
5Определение мощности энергопривода перекачивающих устройств.
Мощности необходимые для перекачки теплоносителей через трубное и межтрубное пространство определяются по следующим соотношениям:
После подстановки слагаемых в уравнения 4.1 и 4.2 получим следующие равенства:
Эффективные мощности привода насосов или компрессоров необходимые для перекачки теплоносителей через трубное и межтрубное пространство рассчитываются по следующим формулам:
где o м – механический к.п.д. перекачивающих устройств м = 093 – 096 (примем = 093). После подстановки слагаемых в уравнения 4.5 и 4.6 получим следующие равенства:
6Оценка энергетической эффективности теплообменного аппарата
В случае если предъявляемым критериям выбора кожухотрубных теплообменных аппаратов соответствуют несколько типов и конструкций теплообменников следует вести выбор оптимального варианта с точки зрения энергетической эффективности аппарата. Энергетическое совершенство теплообменного аппарата можно оценить по величине отношения тепловой мощности теплообменника к затратам энергии необходимым для перекачки теплоносителей через трубное Nтр и межтрубное Nмтр пространство. Это отношение называется коэффициентом энергетической эффективности теплообменного аппарата:
Подставляя ранее полученные численные значения 1.4 4.3 и 4.4 в 5.1 получаем:
Синяя линия отражает изменение температуры Бензина красная соответственно – нефть II.
Рисунок 14 - Четырехходовой кожухотрубчатый теплообменник
с неподвижными трубными решетками [2]:
- распределительная камера; 2 - кожух; 3 - теплообменная труба; 4 - поперечная перегородка; 5 - трубная решетка; 6 - задняя крышка кожуха;7 - опора; 8 - дистанционная трубка; 9 - штуцеры; 10 - перегородка в распределительной камере; 11 - отбойник
В решениикурсовой работы произведен конструктивный тепловой расчет и проверочный тепловой расчет кожухотрубного теплообменного аппарата. Выбран теплообменный аппарат с неподвижными трубными решетками и с площадью 606 м2 являющийся четырехходовым так как продукт в аппарате не совсем чистый и использование аппаратов других типов этого приложения сложнее в эксплуатации.
Получились погрешности по расчетам конечных температур теплоносителей составили:
горячий теплоноситель (Бензин) – ;
холодный теплоноситель (Нефть II) – .
Считаю что все поставленные цели достигнуты и такие теплообменные аппараты могут использоваться.
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ
Трошин А.К. Купцов С.М. Калинин А.Ф. Термодинамические и теплофизические свойства рабочих тел теплоэнергетических установок. Справочное пособие. – М.: МПА-Пресс 2006. – 78 с.
Калинин А. Ф. Расчёт и выбор конструкции кожухотрубного теплообменного аппарата. – М. РГУНГ им. И.М. Губкина 2002. – 82 с.
Поршаков Б. П. Романов Б.А. Основы термодинамики и теплотехники. – М. Недра 1988. – 300 с.