Методичка для Курсовой(теплотехника). Методические указания по курсовому проектированию для студентов специальностей 090600, 090700, 170200, 250100, 250400, 320700, 330500
 Скачать 2.82 Mb.
|
|
Министерство образования Российской Федерации РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ НЕФТИ И ГАЗА им. И.М. ГУБКИНА А.Ф. КАЛИНИН РАСЧЕТ И ВЫБОР КОНСТРУКЦИИ КОЖУХОТРУБНОГО ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА Москва 2002Министерство образования Российской Федерации РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ НЕФТИ И ГАЗА им. И.М. ГУБКИНА _________________________________________________________ Кафедра термодинамики и тепловых двигателей А.Ф. Калинин РАСЧЕТ И ВЫБОР КОНСТРУКЦИИ КОЖУХОТРУБНОГО ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА Методические указания по курсовому проектированию для студентов специальностей: 090600, 090700, 170200, 250100, 250400, 320700, 330500 Под редакцией проф. Б.П. ПоршаковаМосква 2002УДК 621.1.016 Калинин А.Ф., Расчет и выбор конструкции кожухотрубного теплообменного аппарата: Методические указания по курсовому проектированию. – – 2-е издание, переработанное и дополненное. – М.: РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2002. – 82 с. Дана методика теплового и гидравлического расчета кожухотрубного теплообменного аппарата. Приведены основные критерии, определяющие выбор конструкции кожухотрубных теплообменников. Представлены основные конструктивные характеристики кожухотрубных теплообменных аппаратов и другие материалы справочного характера. Рецензент – К.Х.Шотиди, кандидат технических наук, доцент кафедры термодинамики и тепловых двигателей РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина © Российский государственный университет нефти и газа им. И.М. Губкина, 2002 СОДЕРЖАНИЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И ИНДЕКСЫ ………………………………..4 ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………………6
АППАРАТА…………………………………………………………..38
ПРИЛОЖЕНИЕ I………………………………………………………………..47 ПРИЛОЖЕНИЕ II……………………………………………………………….51 ПРИЛОЖЕНИЕ III………………………………………………………………69 ЛИТЕРАТУРА…………………………………………………………...………82 УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ Q – тепловой поток (тепловая мощность теплообменного аппарата), Вт; T, t – температура, К, оС; G – массовый расход, кг/с; W – водяной эквивалент теплоносителя, Вт/К; F, f – площади поверхности теплообмена и проходного сечения, м2; d, , l – диаметр, толщина и длина, м; сpm – удельная массовая теплоемкость, Дж/(кг.К); – плотность, кг/м3; – коэффициент теплопроводности, Вт/(м.К); , – кинематический и динамический коэффициенты вязкости, м2/с и Пас; – температурный коэффициент объемного расширения, 1/К; w – линейная скорость, м/с; u – массовая скорость, кг/(м2.с); – коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2.К); k – коэффициент теплопередачи, Вт/(м2.К); R – термическое сопротивление, (м2.К)/Вт; P – индекс противоточности; Δp – падение давления, Па; Числа (критерии) подобия: Нуссельта Nu =  , Рейнольдса Re =  =  ,Грасгофа Gr =  ,Прандтля Pr =  .ИНДЕКСЫ 1 – индекс, который имеют характеристики, относящиеся к горячему теплоносителю; 2 – индекс, который имеют характеристики, относящиеся к холодному теплоносителю; ΄ – индекс характеристик теплоносителя на входе в теплообменный аппарат; ˝ – индекс характеристик теплоносителя на выходе из теплообменного аппарата; тр – индекс, который имеют характеристики, относящиеся к теплоносителю, который движется в трубном пространстве; мтр – индекс, который имеют характеристики, относящиеся к теплоносителю, который движется в межтрубном пространстве; min – минимальное значение характеристики; max – максимальное значение характеристики. ВВЕДЕНИЕ 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 теплооменного оборудования затрачивается до 30 % от общего расхода металла на все технологическое оборудование [10]. 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 80 % от всей теплообменной аппаратуры, используемой в нефтяной и газовой промышленности. На кафедре термодинамики и тепловых двигателей РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина студентами ряда специальностей: 090600, 090700, 170200, 250100, 250400, 320700, 330500 выполняется курсовой проект (работа), целью которого является выбор стандартного теплообменного аппарата, обеспечивающего при заданных массовых расходах (G1, G2) температурные режимы теплоносителей (t1, t1,t2,t2). 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 Qсти 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. I. 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:
Различают следующие типы кожухотрубных теплообменных аппаратов:
Кожухотрубные теплообменные аппараты с неподвижными трубными решетками отличаются простотой конструкции и, следовательно, меньшей стоимостью (рис. 1).  Рис. 1. Кожухотрубчатый теплообменник с неподвижными трубными решетками: 1 - 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 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 эррозии 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. 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 (рис. 2).  Р   ис. 2. Вертикальный кожухотрубчатый теплообменник с неподвижными трубными решетками и температурным компенсатором на кожухе: 1   - распределительная камера; 2 - трубные решетки; 3 - компенсатор; 4 - кожух; 5 -опора; 6 - теплообменная труба; 7 - поперечная перегородка; 8 - 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 (рис. 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.  Рис. 3. 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 - 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.  Рис. 4. Кожухотрубчатый теплообменник с U-образными теплообменными трубами: 1 - распределительная камера; 2 - трубная решетка; 3 - кожух; 4 - теплообменная труба; 5 - поперечная перегородка; 6 - крышка кожуха; 7 - опора; 8 - 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 рис. 5 показаны поперечные перегородки различных типов. Наибольшее распространение получили сегментные перегородки (рис. 5а).  Рис. 5. Поперечные перегородки кожухотрубных аппаратов: а - с сегментным вырезом; б - с секторным вырезом; в - перегородки «диск-кольцо»; г - с 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 рис. 6 приведены варианты наружного оребрения теплообменных труб.  Рис. 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. |