Устройство для передачи тепла

 

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ  И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ  ГОСУДАРСТВЕННОЕ  БЮДЖЕТНОЕ 

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ  УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО  ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО  ОБРАЗОВАНИЯ

«ВОРОНЕЖСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ТЕХНИЧЕСКИЙ  УНИВЕРСИТЕТ»

(ФГБОУ ВПО «ВГТУ»)

 

ФАКУЛЬТЕТ ВЕЧЕРНЕГО И  ЗАОЧНОГО ОБУЧЕНИЯ

 

Курсовой проект

По дисциплине: «Теплотехника»

 

РАСЧЕТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ  ЗАПИСКА

 

 

 

Разработал:  ст. гр. НГД-091 Варварин С.А.

Принял:        проф.  Булыгин Ю. А.

Защищен:_____________

Оценка:_______________

 

 

 

 

ВОРОНЕЖ  2013 

Задание на курсовой проект

Вариант №4.

Выполнить тепловой, гидравлический расчёты, а также сборочный чертёж теплообменного аппарата, входящего  в установку подогрева нефти (УПН).

Установка подогрева нефти (УПН), представленная на рис.1, используется для подогрева  нефтепродуктов в технологических  нефтепроводах. Нагрев нефтепродуктов осуществляется в теплообменнике, устанавливаемом  в разрыве нефтепровода, с помощью  теплоносителя, нагреваемого в нагревательном блоке.

Установка подогрева нефти работает по двухконтурной схеме. Первый контур (греющий) - индуктивно-кондуктивные электронагреватели и теплообменник, второй контур - теплообменник и подогреваемый трубопровод.

Разогрев промежуточного теплоносителя  производится в тепловом пункте, расположенном  в 30-40 метрах от трубопровода. В тепловом пункте находится нагревательное оборудование, система автоматического управления, система дополнительного отопления.

УПН позволяет производить нагрев нефти перед узлами учета, подогрев высоковязкой нефти, подогрев нефти  при зимней эксплуатации низкодебетных скважин. Помимо прочего, использование установки УПН позволяет увеличить производительность перекачки нефти в технологических трубопроводах и обеспечить необходимую точность показаний счетчиков нефти на узлах учета.

 

Рис. 1. Установка подогрева нефти.

Исходные данные для расчёта:

1. Тип аппарата                                                                   кожухотрубный;
2. Греющая среда                                                               вода;

температура:  на входе t'₁=  86, °С;

                        на выходе t''₁= 65, °С;

                                    массовый расход G₁= ?  , кг/с;

                        скорость w₁= 3, м/c.

3. Нагреваемая среда                                                          нефть;

температура:  на входе t'₂= 6, °С;

                        на выходе t''₂= 51, °С;

                        массовый расход G₂= 20, кг/с;

                        скорость w₂= 4, м/c.

4. Геометрические характеристики поверхности теплообмена:

              Внутренний  диаметр трубок d₁ = 0,020, м;

              Наружный диаметр                                                                           d₂ = 0,022, м;

Толщина стенки трубок δ = 0,001, м;

Параметр             D' = 0,241, м;

Материал трубок            сталь;

Кольцевой зазор                                 0,005, м

 

Задание выдано  «___» ______________ 2013 г.

Руководитель ____________________профессор Ю.А. Булыгин

Работа должна быть выполнена  не позднее  01.02.2013 г.

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

Введение 5

1 Теоретическая часть 6

1.1 Классификация теплообменных  аппаратов 6

1.2 Кожухотрубные теплообменники 9

1.3 Элементные (секционные) теплообменники 10

1.4 Двухтрубные теплообменники  типа «труба в трубе» 11

1.5 Витые теплообменники 13

1.6 Оросительные теплообменники 14

1.7 Ребристые теплообменники 14

1.8 Погружные теплообменники 15

1.9 Спиральные теплообменники 16

1.10 Пластинчатые теплообменники 17

2 Расчетная часть. 19

2.1. Тепловой расчет 19

2.1.1 Уравнения теплового  баланса и теплопередачи 19

2.1.2 Определение режимов  работы теплоносителей 20

2.1.3 Определение коэффициента  теплоотдачи со стороны греющего  теплоносителя 21

2.1.4 Определение коэффициента  теплоотдачи со стороны нагреваемого  теплоносителя 23

2.1.5 Уточнение температуры  стенки 24

2.1.6 Уточненный расчет  коэффициентов теплоотдачи 25

2.1.7 Определение теплопроизводительности аппарата 26

2.2 Гидравлический расчет 26

2.2.1 Определение суммарных  потерь в трубном пространстве 26

2.2.2 Определение потерь  в межтрубном пространстве 29

Заключение 32

Библиографический  список 33

ПРИЛОЖЕНИЕ А (обязательное) Эскиз теплообменного аппарата 34

ПРИЛОЖЕНИЕ Б (справочное) Физические свойства  воды  и нефти  в зависимости от температуры 35

 

 

 

Введение

Теплообменник – это устройство для передачи тепла от нагретого (жидкого или газообразного) теплоносителя более холодному. Примером может служить аппарат для регенерации тепла отработанных газов на выходе турбины ГПА. Теплообменные аппараты применяются в авиационной и космической технике, энергетике, химической, нефтеперерабатывающей, пищевой промышленности, в холодильной и криогенной технике, в системах отопления и горячего водоснабжения, кондиционирования, в различных тепловых двигателях.

Тенденции развития современной промышленности и теплоэнергетики инициируют появление  новых видов теплообменных установок, способных отвечать все более  жестким условиям эксплуатации, а  также участвовать в технологических  процессах, где традиционные типовые  теплообменники использовать невозможно. Таким образом, правильный выбор  типа применяемого теплообменного оборудования является исключительно важной задачей.

В представленном курсовом проекте рассчитываются основные параметры кожухотрубного теплообменного аппарата. Курсовой проект по теории теплообмена является одной из важных форм изучения курса и имеет целью способствовать развитию творческой активности студентов, развитию навыков инженерного мышления и выполнения технических расчетов, изучению и закреплению наиболее сложного теоретического материала курса, а также повышение инженерной эрудиции и математической культуры в целом.

   

1 Теоретическая часть

1.1 Классификация  теплообменных аппаратов

Процессы  теплообмена имеют большое значение в химической, энергетической, металлургической, пищевой и других отраслях промышленности. В теплообменных аппаратах теплопередача  от одной среды к другой через  разделяющую их стенку обусловлена  рядом факторов и является сложным  процессом, который принято разделять  на три элементарных вида теплообмена: теплопроводность, конвекцию и тепловое излучение. На практике эти явления  не обособлены, находятся в каком-то сочетании и протекают одновременно. Для теплообменников наибольшее значение имеет конвективный теплообмен или теплоотдача, которая осуществляется при совокупном и одновременном  действии теплопроводности и конвекции.

Процессы  теплообмена осуществляются в теплообменных  аппаратах различных типов и конструкций.

Рисунок 1 – Классификация теплообменных  аппаратов

 

По способу  передачи тепла теплообменные аппараты делят на поверхностные и смесительные (рисунок 1). В поверхностных аппаратах рабочие среды обмениваются теплом через стенки из теплопроводного материала, а в смесительных аппаратах тепло передается при непосредственном перемешивании рабочих сред (при этом теплообмен сопровождается и массообменном).

Контактные  теплообменники в свою очередь подразделяются на смесительные и барботажные. В аппаратах смесительного типа нагретые и менее нагретые теплоносители перемешиваются и образуют растворы или смеси. Примером могут являться различного типа скрубберы. В аппаратах барботажного типа более нагретый теплоноситель прокачивается через массу менее нагретого (или наоборот), не смешиваясь с ним.

Во всех поверхностных теплообменниках  оба теплоносителя омывают обычно разделяющую их твердую стенку, которая таким образом участвует в процессе теплообмена. Такие теплообменники разделяются на рекуперативные и регенеративные.

В регенеративных аппаратах одна и та же поверхность  теплообмена попеременно омываются то одним, то другим теплоносителем. В период нагрева, т.е. при проходе горючего теплоносителя, стенки теплообменника и набивка в виде шаров, колец и т.п. нагреваются, в них аккумулируется тепло, которое в период охлаждения отдается протекающему вторичному теплоносителю. Направление потока тепла в стенках периодически меняется – это   аппараты периодического действия.

Примером  таких установок являются воздухоподогреватели газотурбинных установок, воздухоподогреватели типа юнгстрем и др.

В рекуперативных аппаратах одна поверхность стенки все время омывается одним  теплоносителем, а другая – другим. Тепло от одного теплоносителя к  другому передается через разделяющую их стенку из теплопроводного материала.

Теплообменные аппараты классифицируются также по наличию или отсутствующие изменения  агрегатного состояния теплоносителей. Имеются аппараты:

• без изменения агрегатного состояния теплоносителей;
• с изменением агрегатного состояния одного теплоносителя – конденсация пара (первичного теплоносителя) или кипения жидкости (вторичного теплоносителя);
• с изменением агрегатного состояния обоих теплоносителей.

Все теплообменные  аппараты поверхностного типа можно  классифицировать по виду взаимного  направления потоков теплоносителей. Существуют 3 основные схемы движения теплоносителей, применяются также их комбинации (рисунок 2):

• Прямоток – движение двух теплоносителей параллельно друг к другу в одном и том же направлении.
• Противоток – движение двух теплоносителей  параллельно друг к другу в противоположных направлениях.
• Перекрестный ток – движение двух теплоносителей во взаимно перпендикулярных направлениях.

 

Рисунок 2 – Схемы движения теплоносителей

а) прямоток, б) противоток, в) перекрестный ток

 

Можно также  проводить классификацию по назначению (подогревателя, испарителя, холодильника, конденсатора), материалу поверхности теплообмена, числу ходов теплоносителя и т.д.

Рекуператоры  в свою очередь различают по конфигурации поверхности теплообмена:

• трубчатые аппараты с прямыми трубками;
• трубчатые аппараты с U-образным трубным пучком;
• спиральные;
• пластинчатые;
• змеевиковые;
• ребристые.

По компоновке поверхности нагрева:

• тип «труба в трубе»;
• кожухотрубные аппараты;
• оросительные аппараты (не имеющие ограничивающего корпуса) и некоторые другие.

Рассмотрим основные виды теплообменных аппаратов, получивших наибольшее распространение в промышленности.

 

1.2 Кожухотрубные теплообменники

Основными элементами кожухотрубных теплообменников являются пучки труб, трубные решетки, корпус, крышки, патрубки. Концы труб крепятся в трубных решетках развальцовкой, сваркой и пайкой  (рисунок 3)..

Рисунок 3 – Кожухотрубный теплообменник 

 

Для увеличения скорости движения теплоносителей с  целью интенсификации теплообмена  нередко устанавливают перегородки как и трубном, так и межтрубном пространствах.

Кожухотрубные теплообменники могут быть вертикальными, горизонтальными и наклонными в соответствии с требованиями технологического процесса или удобства монтажа. В зависимости от величины температурных удлинений трубок и корпуса применяют кожухотрубные теплообменники жесткой, полужесткой и нежесткой конструкции.

Аппараты  жесткой конструкции используют при сравнительно небольших разностях  температур корпуса и пучка труб; эти теплообменники отличаются простотой  устройства.