Курсовая_расчёты. 2 Расчет характеристик теплообменника для подогрева нефти 1 Определение расходов теплоносителей
![]()
|
2 Расчет характеристик теплообменника для подогрева нефти 2.1 Определение расходов теплоносителей Для рассчитываемого теплообменника выберем противоточную схему организации течения теплоносителей по исходным данным представленным в таблице 2.1. Таблица 2.1 – Исходные данные вариант 40
Для нахождения расходов теплоносителей воспользуемся уравнением теплового баланса для реального теплообменного аппарата. ![]() где ηТ - коэффициент полезного действия теплообменника. Значение теплоемкостей найдем из таблиц физических свойств теплоносителей в таблицах 2.2 и 2.3. Таблица 2.2 – Физические свойства подогреваемой нефти в зависимости от температуры
Таблица 2.3 – Физические свойства технической воды в зависимости от температуры
Для этого необходимо определить средние температуры нагреваемого (индекс «1») и нагревающего (индекс «2») теплоносителей: ![]() ![]() При данных значениях средних температур, удельные теплоемкости теплоносителей составляют: ![]() где ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Из уравнения теплового баланса находим расходы теплоносителей: ![]() ![]() Найдем необходимую мощность электронагревателей воды по формуле: ![]() 2.2 Определение режимов течения теплоносителейЗададимся скоростями течения теплоносителей. Рекомендуемые значения скоростей жидкости в трубном пространстве находятся в диапазоне от 0,1 до 1 м/с, в межтрубном – от 1 до 2 м/с. Примем в первом положении: ![]() w1=0,2 м/с, w2=1,2 м/с. Величина скорости течения будет вариативной. Если итоги расчета не будут соответствовать требованиям условия, следует произвести перерасчет с изменением величин принятых скоростей. Найдем значение критерия Рейнольдса для нагреваемой нефти. Значение величины кинематической вязкости v1 возьмем из таблицы физических свойств, представленной в таблицах 2.2 и 2.3, при средней температуре потока, аналогично формуле 2: ![]() Так как Re1f<2300, движение жидкости будет ламинарным. Найдем значение Рейнольдса для нагревающей воды. Значение величины кинематической вязкости v2 возьмем из таблицы физических свойств, представленной в таблицах 2.2 и 2.3, при средней температуре потока, аналогично формуле 2: ![]() где dЭКВ – эквивалентный диаметр, который находится по формуле: ![]() где DВНУТ – внутренний диаметр кожуха, м; n – количество трубок округленное до ближайшего большего целого. В первом приближении определяется по формуле: ![]() где ρ – плотность воды при t2СР, кг/м3 (рассчитывается аналогично по формуле 2). Внутренний диаметр кожуха найдем из следующих соображений. Внешний диаметр D выберем из стандартного ряда: 159, 273, 325, 426, 530, 630 мм, при соблюдении условия: ![]() Толщина стенки находится из прочностного расчета: ![]() где ![]() [σ] – предел прочности материала, МПа; C1 – прибавка на коррозию и технологические припуски, м. ( ![]() В таком случае ![]() Находим режима течения жидкости в межтрубном пространстве ![]() ![]() Так как ![]() 2.3 Определение коэффициентов теплоотдачи Найдем коэффициенты теплопроводности от нагревающего теплоносителя к трубкам ![]() ![]() ![]() Сам критерий Нуссельта найдем из следующих соображений. Для начала следует установить температуру стенки между теплоносителями. В первом приближении примем ее как среднеарифметическую между средними температурами теплоносителей: ![]() Нагревание или охлаждение в прямых трубках: – при развитом турбулентном течении (Re>10 000) по формуле Михеева: ![]() – при ламинарном режиме движения (Re < 2 300) ![]() где индексы «f» приняты для критериев с параметрами при температуре потока, индексы «w» – с параметрами при температуре стенки; где ![]() ![]() ![]() ![]() Теплоотдача при наружном обтекании труб: – при Re > 1000: ![]() – при Re < 1000: ![]() ![]() ![]() ![]() Для нагреваемой среды при Re1f <2300 будет справедлива следующая формула 7, Pr1f =66,479; Pr1w = 42,28 были рассчитаны аналогично формуле 2 на основании данных из таблицы 2.2 Критерий Грасгофа Gr – критерий подобия, определяющий процесс подобия теплообмена при конвекции в поле тяжести (гравитации, ускорения) и является мерой соотношения архимедовой выталкивающей силы, вызванной неравномерным распределением плотности жидкости, газа в неоднородном поле температур, и силами вязкости, рассчитывается по формуле 10. ![]() где g – ускорение свободного падения, на поверхности Земли g=9,81 м/с2; d – определяющий характерный линейный размер поверхности теплообмена, м; tw – температура поверхности теплообмена, °С; tf– температура теплоносителя, °С; v– коэффициент кинематической вязкости, м2/с; β – температурный коэффициент объемного расширения теплоносителя, К-1. Рассчитаем критерий Грасгофа по формуле 10: ![]() Следовательно, критерий Нуссельта для 1 теплоносителя будет рассчитан по формуле 7: ![]() Для нагревающей среды при Re2f >10000 расчет критерия Нуссельта будет осуществляться по формуле 8, где Pr2f =2,516; Pr2w=3,617 были рассчитаны аналогично по формуле 2 на основании данных из таблицы 2.3 для температуры t2ср и tw: ![]() Из таблиц 2.2 и 2.3 физических свойств теплоносителей найдем показатели их коэффициентов теплопроводности, соответствующих температурам потоков аналогично формуле 2: ![]() ![]() В таком случае: ![]() ![]() 2.4 Определение коэффициента теплопередачи и уточнение температуры стенкиВоспользуемся формулой для вычисления среднего коэффициента теплопередачи: ![]() Средний температурный набор для противоточных теплообменных аппаратов определяется как: ![]() Запишем систему уравнений для определения удельной теплопроизводительности аппарата: ![]() Выразим из этой системы уравнений температуры стенки со стороны греющей и нагреваемой жидкостей: ![]() ![]() где ![]() Найдем среднюю температуру во втором приближении: ![]() Определим погрешность при нахождении средней температуры стенки: ![]() Т.к. погрешность больше 25%, то температура стенки определена недостаточно точно. Необходимо повторить расчет, приняв в качестве температуры стенки аппарата найденную во втором приближении температуру ![]() 2.5 Переопределение коэффициента теплопередачи с учетом уточнения температуры стенки Для нагреваемой среды: ![]() ![]() Для нагреваемой среды: ![]() ![]() Коэффициент теплопередачи ![]() Удельная теплопроизводительность ![]() В третьем приближении температура стенки ![]() Т.к. итоговая погрешность 0,1 % меньше 25%, то температуру стенки можно считать определенной достаточно точно и продолжить расчет. 2.6 Определение основных геометрических показателей теплообменникаНайдем площадь поверхности теплообмена: ![]() Отсюда возможно найти длину трубок: ![]() Такая величина удовлетворяет требованию исходных данных, где прописан максимальный габарит LMAX не более 10 м. По итогу расчета были получены данные, указанные в таблице 2.4 Таблица 2.4 – Итоговые расчетные данные
|