I. Тепловой расчет и выбор конструкции теплообменного аппарата

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.

На изготовление аппаратов, предназначенных для нагрева и охлаждения потоков сырья, продуктов и реагентов, затрачивается до 30% общего расхода металла на все технологическое оборудование. От правильного выбора типа и конструкции теплообменных аппаратов, применяемых на тех или иных технологических установках, во многом зависят показатели работы всего производства (завода). Высокая эффективность работы теплообменных аппаратов позволяет сократить расход топлива и электроэнергии, затрачиваемой на тот или иной технологический процесс, и оказывает существенное влияние на его технико-экономические показатели.

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 [1].

Теплообменные аппараты могут быть классифицированы по различным признакам. По способу передачи теплоты все теплообменные аппараты разделяются на поверхностные и аппараты смешения. В поверхностных теплообменных аппаратах передача теплоты от одного теплоносителя к другому осуществляется с участием твердой стенки. В смесительных теплообменных аппаратах (аппараты смешения) передача теплоты осуществляется при непосредственном контакте и смешении теплоносителей.

В поверхностных теплообменных аппаратах горячий и холодный теплоносители могут двигаться различно. Наиболее простыми и распространенными схемами движения являются прямоток, противоток и перекрестный ток. При прямотоке горячая и холодная среды движутся вдоль поверхности теплообмена в одном направлении, при противотоке – в противоположных направлениях, при перекрестном токе – в перекрещивающихся направлениях. Существуют аппараты и с более сложными схемами движения. От схемы движения сред в прямой зависимости находится и теплообмен между ними, поэтому схемы движения жидкости еще называются схемами теплообмена.

Поверхностные теплообменные аппараты, в свою очередь, подразделяются на рекуперативные и регенеративные. В рекуперативных теплообменных аппаратах теплота от одного теплоносителя к другому передается через разделяющую их стенку (поверхность теплопередачи), при этом горячая и холодная среды одновременно с разных сторон омывают поверхность теплопередачи. В регенеративных теплообменных аппаратах теплоносители попеременно соприкасаются с одной и той же поверхностью нагрева, которая в первый период нагревается, аккумулируя теплоту горячего теплоносителя, а во второй период охлаждается, отдавая теплоту холодному теплоносителю [2].

В зависимости от назначения аппараты делятся на следующие группы:

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

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

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

- Кристаллизаторы, предназначенные 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. [1].

Наиболее широко распространены в настоящее время кожухотрубные теплообменники. По некоторым данным они составляют до 80% от всей теплообменной аппаратуры [2].

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.

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). Применяются если максимальная разность температур теплоносителей не превышает 80˚С, и при сравнительно небольшой длине аппарата.

Кожухотрубный теплообменный аппарат представляет из себя пучок теплообменных труб, находящихся в цилиндрическом корпусе (кожухе) [3].

Рис. 1. Кожухотрубчатый теплообменник с неподвижными трубными решетками:

1 - распределительная камера; 2 - кожух; 5 - теплообменная труба; 4 - поперечная перегородка; 5 - трубная решетка; б - крышка кожуха; 7 – опора [1]

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. К кожуху теплообменного аппарата с помощью фланцевого соединения крепятся распределительная камера и задняя крышка со штуцерами для входа и выхода продукта из трубного пространства.

В зависимости от расположения теплообменных труб различают теплообменные аппараты горизонтального и вертикально 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.

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.

Кожухотрубчатые теплооб менные аппараты с плавающей головкой (с подвижной трубной решеткой) являются наиболее распространенным типом кожухотрубных теплообменников (рис.2). Подвижная трубная решетка позволяет трубному пучку свободно перемещаться независимо от корпуса, что значительно снижает температурные напряжения как в кожухе, так и в теплообменных трубах[3].

Рис. 2. Кожухотрубчатый теплообменник с плавающей головкой:

1 - крышка распределительной камеры; 2 - распределительная камера; 3 - неподвижная трубная решетка; 4 - кожух; 5 - теплообменная труба; 6 - поперечная перегородка; 7 - подвижная трубная решетка;

8 - крышка кожуха; 9 - крышка плавающей головки; 10 - опора; 11 - катковая опора трубчатого пучка[1]

Теплообменные аппараты данного типа выполняются с двумя или 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.3) имеют одну трубную решетку, в которую завальцованы оба конца U-образных теплообменных труб. Отсутствие других жестких связей теплообменных U-образных труб с

Рис. 3. Кожухотрубчатый теплообменник с U-образными трубками:

1 - распределительная камера; 2 - трубная решетка; 3 - кожух; 4 - теплообменная труба; 5 - поперечная перегородка; 6 - крышка кожуха; 7 - опора; 8 - катковая опора трубчатого пучка [1]

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 отличие 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 [3].

I. Тепловой расчет и выбор конструкции теплообменного аппарата

1.1. Предварительный (оценочный) расчет и выбор теплообменного аппарата.

Исходные данные

Горячий теплоноситель	Холодный теплоноситель
Название	G1, кг/с	t1, ˚С	t2, ˚С	Название	G2, кг/с	τ1, ˚С	τ2, ˚С
Диз. топливо	-			Мазут

Определим по справочной литературе теплофизические свойства горячего и холодного теплоносителей (с_pm, λ, ν, ρ, β, Pr).

Средние температуры теплоносителей:

Диз.топливо:

Мазут:

Диз.топливо – горячий теплоноситель при t^ср=147,5 °С:

1. Плотность ρ, кг/м³:

ρ=748 кг/м³;

2. Удельная массовая теплоемкость, с_pm, Дж/(кг∙К):

с_pm=2525 Дж/(кг∙К);

3. Коэффициент теплопроводности λ, Вт/(м∙К):

λ=0,101 Вт/(м∙К);

4. Кинематический коэффициент вязкости υ∙10⁶, м²/с:

υ=0,8∙10^-6 м²/с;

5. Температурный коэффициент объемного расширения β∙10⁴, 1/К:

β∙10⁴=10,2 1/К

6. Число Прандтля Pr:

Pr =16 [4]

Мазут – холодный теплоноситель при t^ср=58,5 °С:

1. Плотность ρ, кг/м³:

2. Удельная массовая теплоемкость, с_pm, Дж/(кг∙К):

3. Коэффициент теплопроводности λ, Вт/(м∙К):

4. Кинематический коэффициент вязкости ν∙10⁶, м²/с:

5. Температурный коэффициент объемного расширения β∙10⁴, 1/К:

6. Число Прандтля Pr:

[4]

Определим мощность теплообменного аппарата по исходным данным.

где η – коэффициент, учитывающий тепловые потери в окружающую среду (от 0,95 до 0,98). Примем η=0,95.

Рассчитаем массовый расход керосина.

Рассчитаем среднюю разность температур между теплоносителями θ_m. Для противоточной схемы движения теплоносителей средняя разность температур между теплоносителями θ_m рассчитывается по уравнению Грасгофа:

Предварительное определение водяного эквивалента поверхности нагрева и размеров аппарата.

Коэффициент теплопередачи от горячего к холодному теплоносителю определяется по соотношению:

где α_тр и α_мтр – коэффициенты теплоотдачи в трубном и межтрубном пространстве;

и – термические сопротивления загрязнений на внутренней и наружной поверхности теплообменных труб;

δ_ст – толщина стенки теплообменных труб кожухотрубных ТА (от 1,5 до 3 мм). Примем δ_ст= 2 мм.

λ_ст – коэффициент теплопроводности стенки теплообменных труб.

Примем:

α_тр=1500 Вт/(м²К) – диз.топливо;

α_мтр=500 Вт/(м²К) – мазут;

R_зтр=0,0029 (м²К)/Вт; [3]

R_мтр=0,0025 (м²К)/Вт; [3]

λ_ст = 51,1 Вт/(м.К) – коэффициент теплопроводности стали 20; [3]

В итоге площадь поверхности теплообмена ТА:

Диапазоны площадей проходных сечений трубного f_три межтрубного

f_мтр пространства:

где w_maxи w_min– минимальная и максимальная рекомендуемые скорости потоков теплоносителей; ρ и G– плотность и массовый расход теплоносителя.

Диз топливо: w=0,5 – 3,0 м/с;

Мазут: w=0,2 – 1,0 м/с;

На основе полученных данных делаем предварительный выбор теплообменного аппарата.

а) Выбираем теплообменный аппарат с неподвижными трубными решетками;

б) Направляем диз.топливо в трубное, а мазут – в межтрубное пространство;

в) По диапазону площадей проходных сечений трубного и межтрубного пространства, а также по величине расчётной площади поверхности теплообмена, предварительно выбираем следующий кожухотрубный ТА с неподвижными трубными решетками и температурным компенсатором на кожухе. Характеристики ТА:

Внутренний диаметр кожуха, мм	Наружный диаметр труб dн, мм	Число ходов по трубам nx	Площадь проходного сечения f·10^2,м^2	Площадь поверхности теплообмена F, м^2	Длина труб l, мм
Одного хода по трубам	В вырезе перего-родки	Между перего-родками
			2,0	6,5	7,0

Минимальный индекс противоточности определяется только заданными температурами теплоносителей на входе и выходе из ТА и рассчитывается по формуле:

Для более сложных схем определение индекса противоточности Р выбранного теплообменного аппарата начинается с расчета характеристик, от которых, наряду со схемой движения теплоносителя, зависит значение индекса

По значениям этих характеристик с учетом схемы движения теплоносителей (число ходов по трубному и межтрубному пространству) из графиков [3] определяем ε_Δt – коэффициент, учитывающий различие между средней логарифмической разностью температур между теплоносителями для противоточной схемы движения Θ_mL и действительной средней разностью температур Θ_m.

По графику находим ε_Δt=1.

Затем рассчитываем действительную среднюю разность температур:

Характеристическая разность температур ΔТ определяется с использованием метода последовательного приближения из следующего соотношения:

где Θ_mа – средняя арифметическая разность температур между теплоносителями в теплообменном аппарате:

Используя функцию «Подбор параметра» в Excel, находим ΔT=36,8°С.

Индекс противоточности для выбранной схемы теплообменного аппарата, заданных температурных режимов и водяных эквивалентов теплоносителей определяется по уравнению Н.И.Белоконя для характеристической разности температур:

Выбираемый теплообменный аппарат должен быть способен обеспечить заданные температурные режимы теплоносителей. Это условие выполняется только в том случае, если индекс противоточности выбранной конструкции теплообменного аппарата Р при заданных температурных режимах и водяных эквивалентах теплоносителей больше или равен минимальному индексу противоточности P_min:

Р ≥ P_min

1 ≥ 0,21

Режим движения – противоток.

1.2. Расчет коэффициента теплопередачи и окончательный выбор ТА.

Для определения коэффициента теплопередачи необходимо рассчитать коэффициенты теплоотдачи в трубном α_тр и межтрубном α_мтр пространстве.

Коэффициент теплоотдачи в трубном пространстве α_тр:

где Re, Pr, Gr – числа подобия теплоносителя, движущегося в теплообменных трубах ТА, при средней арифметической температуре потока; Pr_c – число Прандтля теплоносителя, движущегося в теплообменных трубах ТА, при средней температуре стенки тубы; λ_тр – коэффициент теплопроводности теплоносителя, движущегося в теплообменных трубах ТА; d_н, δ_ст – наружный диаметр и толщина стенки теплообменных труб.

Средняя скорость теплоносителя в трубном пространстве, необходимая для определения числа Рейнольдса Re_тр найдем по формуле:

где G_тр, ρ_тр – массовый расход и плотность теплоносителя, движущегося в трубном пространстве; f_тр – площадь проходного сечения одного хода по трубам выбранного стандартного ТА.

- внутренний диаметр трубы

17400>10⁴ – турбулентный режим.

Выбираем коэффициенты из таблиц:

С=0,021, j=0,8; y=0,43; i=0.

Pr=16 при t_ср потока.

Первоначально принимаем

Pr для диз.топлива:

Тогда:

Коэффициент теплоотдачи в межтрубном пространстве:

Nu, Re, Pr –числа подобия для теплоносителя, движущегося в межтрубном пространстве ТА, при средней арифметической температуре потока; Pr_c – число Прандтля теплоносителя, движущегося в межтрубном пространстве ТА, при средней температуре стенки труб; λ_мтр – коэффициент теплопроводности теплоносителя, движущегося в межтрубном пространстве ТА.

Средняя скорость теплоносителя в межтрубном пространстве выбранного теплообменного аппарата w_мтр, необходимая для определения числа Рейнольдса Re, найдем по формуле:

где G_мтр, ρ_мтр – массовый расход и плотность теплоносителя, движущегося в межтрубном пространстве; f_в.п., f_м.п. – площади проходного сечения в вырезе перегородки и между перегородками в межтрубном пространстве выбранного стандартного ТА.

схема расположения труб треугольником. В связи с этим выбираем значения коэффициентов в уравнении:

С₁=0,71, m=0,5, n=0,36; Pr при t_ср потока Pr=1767,7;

С_z=1 – поправочный коэффициент, учитывает зависимость среднего коэффициента теплоотдачи в межтрубном пространстве от числа рядов труб в пучке, омываемых в поперечном направлении Z_n (Z_n=20). Определяем по графику.

С_n=0,55+0,72φ_n – поправочный коэффициент, учитывает влияние на конвективный теплообмен в межтрубном пространстве потока, проходящего через окна сегментных перегородок.

φ_n=N_n/N – относительное количество труб, омываемых потоком в поперечном направлении; N_n – число труб, омываемых потоком в поперечном направлении; N – общее число труб в пучке.

По таблицам находим С_n=1,039;

С_з – поправочный коэффициент, учитывает влияние на конвективный теплообмен в межтрубном пространстве потоков теплоносителя, проходящих через зазоры между перегородкой и кожухом, и между трубами и отверстиями в перегородках. С_з=0,776.

C_б – поправочный коэффициент, учитывает влияние на конвективный теплообмен потока, который минует трубный пучок и движется в зазоре между пучком труб и кожухом (байпасный поток). C_б=0,894.

Тогда:

[3]

Уточним среднюю температуру t_ср стенок труб:

128,8°С 103°С

Следовательно, требуется провести аналогичный расчет для средней температуры стенки t_ср=128,8°С.

При t_ср=128,8°С для диз.топлива

Тогда:

При t_ср=128,8°С для мазута:

Тогда:

Уточним среднюю температуру t_ср стенок труб:

129,7 °С 128,8 °С

Следовательно, требуется провести аналогичный расчет для средней температуры стенки t_ср=112°:

При t_ср=130°С для диз.топлива:

Тогда:

При t_ср=130°С для мазута:

Тогда:

Уточним среднюю температуру t_ср стенок труб:

130 °С = 130 °С

Следовательно, принимаем: α_тр=1055 Вт/(м²∙К);

α_мтр=250 Вт/(м²∙К).

Окончательно коэффициент теплопередачи от горячего к холодному теплоносителю:

365,98 м² 349 м², т.е. разница в площадях расчетной и выбранного теплообменного аппарата приемлима, следовательно, ТА выбран правильно F=349 м² и длиной труб l=9000 мм.

Дата добавления: 2015-12-07