рефераты конспекты курсовые дипломные лекции шпоры

Реферат Курсовая Конспект

Сравнительный расчет теплообменных аппаратов

Сравнительный расчет теплообменных аппаратов - раздел Высокие технологии, Технологическая схема нагрева нефти 3.1 Технолог...

3.1 Технологические расчеты

 

 

Исходные данные:

 

Нефть направляется в трубное пространство, водяной пар – в межтрубное пространство. Давление в трубном пространстве 10 МПа. Выбираем трубы для движения нефти , для пара - . Тепловая нагрузка 1·106Вт.

 

Нефть:

начальная температура t/1=10°C;

конечная температура t/2=70°C;

плотность ρ/=970кг/м3;

теплоемкость с/=1,8·103Дж/кг·град;

теплопроводность λ/=0,18Вт/м2·град;

вязкость μ/=0,1358 Н·с/м2;

 

Водяной пар:

температура t//=112,7°C;

давление р//=0,16 МПа;

плотность ρ//=0,598кг/м3;

теплоемкость с//=1894Дж/кг·град;

теплопроводность λ//=0,024Вт/м2·град;

вязкость μ//=0,0123·10-3 Н·с/м2;

энтальпия i//=2677410Дж/кг;

 

Конденсат:

плотность ρк=951кг/м3;

вязкость μк=0,240·10-3 Н·с/м2;

теплопроводность λк=0,683 Вт/м2·град;

теплота парообразования r =2227·103Дж/кг.

 

4.1 Определение расхода нагревающих и охлаждающих агентов

 

4.1.1 Тепловой баланс

Нагрев нефти происходит за счет конденсации греющего водяного насыщенного пара:

 

 

; (4.1)

 

, (4.2)

 

где Д – расход греющего пара, кг/с;

i1 – теплосодержание (или энтальпия) греющего пара, Дж/кг

i2 – теплосодержание конденсата, Дж/кг;

G – расход нагреваемого вещества, кг/с;

с – удельная теплоемкость нагреваемого вещества, Дж/(кг·град);

t1 и t2 – начальная и конечная температуры вещества, град.

 

Из практики известно, что потери тепла составляют 2-3% от подведенного тепла и учитываются коэффициентом η=0,97-0,98:

 

(4.3)

 

4.1.1.1 Расход нефти

 

(4.4)

 

4.1.1.2 Объемный расход нефти

 

(4.5)

 

4.1.1.3 Расход греющего пара

 

; (4.6)

 

4.1.1.4 Объемный расход пара

 

(4.7)

Проверяем тепловой баланс:

 

 

4.2 Определение сечения труб

 

4.2.1 Определение сечения внутренней трубы

 

(4.8)

где dвн – внутренний диаметр трубы для передвижения нефти, м.

 

4.2.2 Определение сечения межтрубного пространства

 

(4.9)

 

где Dвн – внутренний диаметр внешней трубы, м;

dн – наружный диаметр внутренней трубы, м.

 

4.3 Движущая сила теплообмена

Температурная схема процесса:

 

.

 

Средняя разность температур:

 

(4.10)

.

 

4.4 Определение коэффициента теплопередачи

 

Коэффициент теплопередачи является количественной расчетной величиной и зависит от коэффициентов теплоотдачи, термического сопротивления стенки и загрязнений.

Если в трубах отношение наружного диаметра к внутреннему меньше 2, то для вычисления коэффициента теплопередачи можно пользоваться формулой для плоской стенки. Так как то коэффициент теплопередачи определяем по формуле:

(4.11)

 

где α1 – коэффициент теплоотдачи от горячего теплоносителя, Вт/(м·град);

δ – толщина теплопередающей стенки , м;

λ- коэффициент теплопроводности материала стенки, Вт/(м·град);

α2 – коэффициент теплоотдачи от стенки к холодному теплоносителю, Вт/(м·град).

 

4.4.1 Определение коэффициента теплоотдачи для пара

 

При соприкосновении пара со стенкой, температура которой ниже температуры насыщения пара, происходит конденсация пара, причем конденсат осаждается на стенке.

 

4.4.1.1 Критерий Рейнольдса

 

В случае пленочной конденсации критерий Рейнольдса определяется по формуле:

(4.12)

 

где q – плотность теплового потока, Вт/м2.

 

 

4.4.1.2 Критерий Нуссельта при пленочной конденсации на наружной поверхности горизонтальных труб:

(4.13)

 

 

 

4.4.1.3 Приведенная толщина пленки:

 

, (4.14)

 

 

4.4.1.4 Коэффициент теплоотдачи вычисляем по формуле:

 

(4.15)

 

.

 

4.4.2 Определение коэффициента теплоотдачи для нефти

 

4.4.2.1 Критерий Рейнольдса для нефти

 

4.4.2.1.1 Скорость нефти

 

(4.16)

 

4.4.2.1.2 Критерий Рейнольдса:

 

(4.17)

 

.

 

4.4.2.2 Критерий Прандтля

 

(4.18)

 

.

 

4.4.2.3 Критерий Нуссельта

 

Так как Re < 2300, то критерий Нуссельта определяем по формуле:

 

(4.19)

 

где а – множитель (для горизонтальных труб равен 0,74),

Gr – критерий Грасгофа, определяемый по формуле:

 

(4.20)

 

где β – коэффициент объемного расширения теплоносителя, град-1;

Δtчаст – частный температурный напор, град.

 

,

 

 

4.4.2.4 Коэффициент теплоотдачи

 

(4.21)

 

.

 

4.4.3 Определение теплового сопротивления стенки

 

; (4.22)

 

где r/загр и r//загр – тепловые сопротивления загрязнений со стороны горячего и холодного теплоносителей. Принимаем r/загр = 0,00009м2·град/Вт (со стороны пара) и r//загр = 0,0008м2·град/Вт (со стороны нефти) по приложению XIII [5].

δ – толщина стенки, м;

λ – теплопроводность стали, Вт/(м·град).

 

.

 

4.4.4 Коэффициент теплоотдачи в межтрубном пространстве (для пара) определен для заданных условий в зависимости от плотности теплового потока и составляет:

.

 

Однако величина q неизвестна; поэтому задаемся несколькими значениями q и определяем соответствующие значения α1 и r, а затем – средний температурный напор:

 

.

 

 

Значения q, а также вычисленные значения α1, r и tср, приведены в таблице 4.1.

 

Таблица 4.1

Определяемая величина Размерность Плотность теплового потока, q Вт/м2.  
Вт/м2·град
м2·град/Вт 0,00204 0,00205 0,00206
град 20,4 61,8
           

 

По данным таблицы строим так называемую нагрузочную характеристику подогревателя (рис. 4.1), показывающую зависимость между q и tср.

 

Рисунок 4.1 Нагрузочная характеристика теплообменника

 

В рассматриваемом случае и соответствующее значение q по нагрузочной характеристике составит 35000 Вт/м2, тогда коэффициент теплоотдачи α1= 16370 Вт/м2·град.

 

4.4.5 Коэффициент теплопередачи

 

(4.23)

 

4.5 Определение поверхности теплообмена

 

(4.24)

 

Поверхность теплообмена связана с конструктивными размерами аппарата, так для трубчатых теплообменников она составляет:

 

; (4.25)

где l – длина труб, м;

n – количество труб.

 

 

4.6 Количество труб теплообменника

 

 

Принимаем n = 17, тогда поверхность теплообмена составит:

 


[3, 4, 5, 7, 9, 12]

 

 

3.2 Гидравлические расчеты

Целью расчета является определение величины гидравлического сопротивления, вносимого теплообменником в систему теплотехнических трубопроводов, и определение мощности, необходимой для перемещения теплоносителя.

Для прохода через теплообменный аппарат теплоносители должны подаваться под некоторым избыточным давлением, чтобы преодолеть гидравлическое сопротивление аппарата.

 

5.1 Потери давления (напора) по трубному пространству:

 

(5.1)

 

где λ – коэффициент трения, выбираемый по графикам;

l – длина одного хода, трубы, канала, м;

dэ – эквивалентный диаметр трубы, канала, межтрубного пространства, м;

Σζ – сумма коэффициентов местных сопротивлений;

W – массовая скорость среды, кг/(с·м2);

ρ – плотность среды, кг/м3.

 

5.1.1 Коэффициент трения для ламинарного течения среды в трубах круглого сечения

(5.2)

 

5.1.2 Массовая скорость среды

 

(5.3)

 

5.1.3 Коэффициент местного сопротивления:

- для стандартного теплообменника типа «труба в трубе»:

- вход в трубу и выход из нее ζ=1

- поворот через калач ζ=2

 

Тогда ;

 

- для разрабатываемого змеевика:

Значения коэффициента местного сопротивления выбирается по таблице. Для значения коэффициента Рейнольдса равного 1417, суммарный коэффициент местного сопротивления составит:

 

 

5.1.4 Потери напора в трубном пространстве:

- для стандартного теплообменника типа «труба в трубе»:

 

;

 

- для разрабатываемого змеевика:

 

.

 

5.2 Мощность, затраченная на преодоление гидравлических сопротивлений

 

(5.4)

 

где V – расход теплоносителя, м3/с;

ΔΡ – полная потеря напора, Па;

η – КПД машины или насоса, создающего напор.

- для стандартного теплообменника типа «труба в трубе»:

 

;

 

- для разрабатываемого змеевика:

 

.

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

Объектом проектирования является теплообменный аппарат для нагрева вязких сред. В теплотехнологических установках нефтяной промышленности широко используются змеевиковые поверхности нагрева, составленные из прямых труб, соединенных отводами. Выпускаемые промышленностью стандартные отводы имеют минимальный радиус изгиба равный наружному диаметру соединенных труб. Это обстоятельство является ограничением для компоновочных решений и сдерживает увеличение площади поверхности труб змеевиков в единице занимаемого ими объема.

Значительно увеличить площадь поверхности теплопередачи в единице объема позволяют коллекторные змеевики. Отличительная особенность состоит в том, что отводы с одной стороны ряда труб змеевика заменены одной общей коллекторной трубой – соединительным элементом с внутренними диаметральными перегородками – дисками. Конструкция данного змеевика получается проще и технологичнее в изготовлении. Расстояние между трубами может быть уменьшено до минимальных величин, достаточных для наложения качественного сварного шва в месте стыка прямых труб ряда с соединительным элементом. Диски крепятся в соединительном элементе с помощью сварных заклепок

В данном проекте необходимо осуществить нагрев сырой нефти от температуры 10°C до 70°C. В результате проведенного обзора, анализа существующих методов подвода теплоты, выбираем нагревание глухим паром, передающим тепло через стенку теплообменного аппарата. Водяной пар имеет ряд преимуществ: высокий коэффициент теплоотдачи; большое количество тепла, выделяемое при конденсации единицей количества пара; возможность транспортировки по трубопроводам на значительные расстояния; равномерность обогрева, так как конденсация пара происходит при постоянной температуре; легкое регулирование обогрева. В результате конденсации пара получают большие количества тепла при относительно небольшом расходе пара. Вследствие высоких коэффициентов теплоотдачи от конденсирующегося пара сопротивление переносу тепла со стороны пара мало. Это позволяет проводить процесс нагревания при малой поверхности теплообмена

В рамках данного проекта осуществляется технологический, гидравлический расчет данного аппарата, приводятся данные исследования по определению наименьшего гидравлического сопротивления в зависимости от расположения перегородок в трубном пространстве, на основе исследования по наименьшему гидравлическому сопротивлению проводятся расчеты.

 

 

Для расчета коллекторных змеевиков необходимы надежные данные о гидравлическом сопротивлении поворотов потока в коллекторном переходе между двумя смежными прямыми трубами с разнонаправленным течением. Поворот потока на 1800, образованный двумя угловыми поворотами на 900, будут сопровождаться вихреобразованием в отрывных зонах, являющихся поглотителем энергии потока текущей в змеевике жидкости. Положение и величина вихревых зон зависит как от конструктивных размеров поворота, так и от места размещения дисков в коллекторной трубе.

Имеющиеся в литературе данные по гидравлическому сопротивлению поворотов, подобных рассматриваемому, отражены в [8] и не отражают всех значимых факторов.

С целью изучения гидравлического сопротивления поворотов в коллекторных змеевиках создана экспериментальная установка. По результатам эксперимента можно видеть, что коллекторный поворот имеет более высокое гидравлическое сопротивление. В области малых скоростей течения ξ зависит от числа Рейнольдса, а при турбулентном режиме коэффициент сопротивления становиться автомодельной величиной. Такой характер зависимости ξ=f(Re) как известно свойствен многим видам местных сопротивлений.

В результате проведенного эксперимента подтверждено, что с увеличением значения числа Рейнольдса коэффициент местного сопротивления уменьшается. Значения коэффициента местного сопротивления исследуемого однопоточного трубчатого змеевика близки к значениям стандартного теплообменника типа «труба в трубе». Следовательно разработка и внедрение новой конструкции целесообразно.

Нефть направляется в трубное пространство, водяной пар – в межтрубное пространство. Давление в трубном пространстве 10 МПа. Выбираем трубы для движения нефти , для пара - . Тепловая нагрузка аппарата 1·106Вт.

В результате гидравлического расчета произведено определение величины гидравлического сопротивления, вносимого теплообменником в систему теплотехнических трубопроводов, и определение мощности, необходимой для перемещения теплоносителя. Мощность, затраченная на преодоление гидравлического сопротивления для стандартного теплообменника типа «труба в трубе» 7,5 кВт, а для проектируемого теплообменника – 7,66 кВт. Так как значения мощности, затрачиваемой на преодоление гидравлических сопротивлений для стандартного и разрабатываемого теплообменника приблизительно равны, то для перекачивания нефти используется один и тот же поршневой насос двойного действия, имеющий диаметр поршня D=210 мм, диаметр штока d=65 мм, длину хода поршня s=260 мм. Производительность насоса Q=0,0095 м3/с.

В результате механических расчётов был рассчитан проектируемый теплообменный аппарат на прочность, определены действующие нагрузки, подобраны конструктивные размеры, материальное исполнение аппарата.

Были также проведены технологические расчёты и разработана технология

монтажа оборудования.

В результате экономических расчётов было показано, что себестоимость проектируемого теплообменного аппарата ниже стандартного теплообменника типа «труба в трубе» на 18350,5 руб. Капитальные затраты на проектируемый теплообменный аппарат меньше капитальных затрат на применяемый теплообменный аппарат на 27158,74 руб.

Полученные данные свидетельствуют о прибыльности проектируемого теплообменного аппарата. Период окупаемости вложенных средств менее одного года. После 10 лет эксплуатации теплообменного аппарата у предприятия будет достаточно средств для приобретения аналогичного теплообменного аппарата.

Предложенное конструктивное решение теплообменного аппарата может быть применено на различных предприятиях химической, нефтехимической, газовой и других отраслях промышленности.

 

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

 

 

1 Плановский А.Н., Рамм В.М., Каган С.З. Процессы и аппараты химической технологии.: М.: Химия, 1968., 848 с., ил.

 

2 Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии,: М.: Химия, 1971, 784с.

 

3 Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии. Учебник для вузов. – Изд. 3-е. Часть 1. Теоретические основы процессов химической технологии. Гидромеханические и тепловые процессы и аппараты,: М.: Химия, 2002., 400 с., ил.

 

4 Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию/Под ред. Ю.И.Дытнерского.: М..: Химия, 1983., 272 с., ил.

 

5 Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Учебное пособие для вузов/Под ред. чл.-корр. АН СССР П.Г.Романкова. – Изд. 10-е., перераб. и доп. - Л.: Химия, 1987., 576 с., ил.

 

6 Альперт Л.З. Основы проектирования химических установок. Учеб. пособие для техникумов. - Изд. 2-е., доп. и перер. М.: Высшая школа, 1976., 272 с., ил.

 

7 Флореа О., Смигельский О. Расчеты по процессам и аппаратам химической технологии,: М.: Химия, 1971., 448 с.

 

8 Чернобыльский И.И. Машины и аппараты химических производств,: М.: Машиностроение, 1975.

 

9 Справочник нефтепереработчика: Справочник /Под ред. Ластовкина Г.А., Радченко Е.Д., Рудина М.Г. – Л.: Химия, 1986., 648 с., ил.

 

10 Криворот А.С. Конструкция и основы проектирования машин и аппаратов химической промышленности.: М.: Машиностроение, 1976., 376 с., ил.

 

11 Лащинский А.А., Толчинский А.Р. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры, : Л.: Машиностроение, 1970. – 752 с.

 

 

12 Кувшинский М.Н., Соболева А.Н. Курсовое проектирование по предмету «Процессы и аппараты химической промышленности»,: Учеб. пособие для учащихся техникумов. – Изд. 2-е., перер. и доп. – М.: Высшая школа, 1980. – 223 с., ил.

 

13 Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям,: М., Машиностроение, 1975., 559с.

 

14 ГОСТ 16037-80 Соединения сварные стальных трубопроводов. Основные типы, конструктивные элементы и размеры,: М.: Изд-во стандартов, 1980.

 

15 ГОСТ 9940-81 Трубы бесшовные горячедеформированные из коррозионно-стойкой стали,: М.: Изд-во стандартов, 1981.

 

16 ГОСТ 8733-74 Трубы стальные бесшовные холоднодеформированные и теплодеформированные,: М.: Изд-во стандартов, 1974.

 

17 ГОСТ 14249-89 Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность,: М.: Изд-во стандартов, 1989.

 

18 Демат М.П. и др. Монтаж оборудования предприятий нефтяной и химической промышленности. Учебник для проф.-техн. учебных заведений. - М.: Высшая школа, 1969. – 312 с., ил.

 

19 Гайдамак К.М., Тыркин Б.А. Монтаж оборудования предприятий химической и нефтехимической промышленности. Учеб. пособие для проф.-техн. учеб. заведений и подгот. рабочих на производстве. – М.: Высшая школа, 1974., 286 с., ил.

 

20 МатвеевВ.В., Крупин Н.Ф. Примеры расчета такелажной оснастки,: Л.: Машиностроение, 1987., 320 с.

 

21 Маньковский О.Н., Толчинский А.Р., Александров М.В. Теплообменная аппаратура химических производств.: Л.: Химия, 1976., 368 с.

 

22 Бережковский М.И. Трубопроводный транспорт химических продуктов.: Л.: Химия, 1979., 240 с., ил.

 

23 Клинов И.Я. и др. Химическое оборудование в корозионностойком исполнении.: М.: Машиностроение, 1970., 589 с.

 

24 Голубятников В.А., Шувалов В.В. Автоматизация производственных процессов в химической промышленности.: М.: Химия, 1972., 248 с.

 

 

25 Казаков А.В, Кулаков М.В., Мелюшев Ю.К. Основы автоматики и автоматизации химических производств. Учебное пособие для вузов. – М.: Машиностроение, 1970., 376 с.

 

26 Соловьев Н.В. и др. Основы техники безопасности и противопожарной техники в химической промышленности,: М.: Химия, 1966., 532 с.

 

27 Лащинский А.А. Конструирование сварных химических аппаратов, : Л.: Мащиностроение, 1981., 385 с.

 

28 . Бочаров В.В. Методы финансирования инвестиционной деятельности предприятий,: М.: Финансы и статистика, 1998., 160 с.: ил.

 

– Конец работы –

Эта тема принадлежит разделу:

Технологическая схема нагрева нефти

Произвести сравнительную оценку использовнаия в помышленности теплообменных аппаратов типа труба в трубе и однопоточного трубчатого змеевика.. Содержание.. Введение..

Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ: Сравнительный расчет теплообменных аппаратов

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

Все темы данного раздела:

Выбор теплообменного аппарата
В данном проекте необходимо осуществить нагрев сырой нефти от температуры 10°C до 70°C. В результате проведенного обзора, анализа существующих методов подвода теплоты, выбираем нагревание глухим па

Сравнительная характеристика теплообменных аппаратов
Кожухотрубные одноходовые теплообменники применяются при большом объеме пропускаемого по трубам теплоносителя (например, в качестве газовых теплообменников и при теплообмене между газом и жидкостью

Описание технологической схемы нагрева нефти
Технологическая схема нагрева сырой нефти. Подогреватель нефти предназначен для нагрева нефти и нефтяной эмульсии при их транспорте и промысловой подготовке. Нефть из промысловой сети через задвижк

Характеристика сырья, энергоресурсов
Нефть.Из промысловой сети нефть выходит с температурой 10°C, плотностью 970 кг/м3. Основные химические компоненты нефти – углерод (82-87%,) и водород (11-14%). Ко

Экспериментальная установка для исследования гидравлического сопротивления поворотов в коллекторных змеевиках.
  В теплотехнологических установках нефтяной, химической, нефтехимической, газовой и других отраслей промышленности широко используются змеевиковые поверхности нагрева, составленные и

Хотите получать на электронную почту самые свежие новости?
Education Insider Sample
Подпишитесь на Нашу рассылку
Наша политика приватности обеспечивает 100% безопасность и анонимность Ваших E-Mail
Реклама
Соответствующий теме материал
  • Похожее
  • Популярное
  • Облако тегов
  • Здесь
  • Временно
  • Пусто
Теги