Курсовая_расчёты. 2 Расчет характеристик теплообменника для подогрева нефти 1 Определение расходов теплоносителей

• Название: 2 Расчет характеристик теплообменника для подогрева нефти 1 Определение расходов теплоносителей
• Дата: 11.05.2022
• Размер: 61.86 Kb.
• Имя файла: Курсовая_расчёты.docx
• Тип: Документы; #522711

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

Параметр		Величина
Тепловая мощность аппарата, N,кВт		500
Нагреваемый теплоноситель		Нагреваемый теплоноситель
Сырая нефть		Техническая вода
Температура на входе t1ВХ, °С	9	Температура на входе t2ВХ, °С	92
Температура на выходе t1ВЫХ,°С	45	Температура на выходе t2ВЫХ,°С	50
Максимальная потеря давления Δp1, кПа	100	Максимальная потеря давления Δp2, кПа	600
Максимальное давление PMAX, МПа		1
Рекомендуемый внешний диаметр трубки d, мм		20
Толщина стенки трубки δ, мм		1
Длина габаритная LMAX, м не более		10
Материал трубок и корпуса		Сталь 20
Теплопроводность материала λδ, Вт/(м·К)		56
Предел прочности [σ], МПа		147
КПД теплообменника ηТ, % не менее		95
КПД электронагревателя ηЭ, % не менее		98

Для нахождения расходов теплоносителей воспользуемся уравнением теплового баланса для реального теплообменного аппарата.

(1)
где η_Т - 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

t, °C	p, кг/м3	ср, кДж/(кг·°К)	λ, Вт/(м·°К)	ν, 10-6 м2/с	β, 10-4 К-1	Pr
10	857,3	1,834	0,1619	10,5	8,8	102,09
20	850,2	1,871	0,1611	7,9	8,8	77,98
30	843,0	1,907	0,1602	6,1	8,7	61,55
40	835,8	1,944	0,1593	4,9	8,7	49,93
50	828,7	1,981	0,1584	4	8,6	41,43
60	821,5	2,018	0,1576	3,3	8,6	35,04
70	814,3	2,055	0,1567	2,8	8,6	30,13
80	807,2	2,092	0,1558	2,4	8,5	26,28
90	800,0	2,129	0,1549	2,1	8,5	23,2
100	792,9	2,165	0,1541	1,9	8,5	20,69

Таблица 2.3 – Физические свойства технической воды в зависимости от температуры

t, °C	p, кг/м3	ср, кДж/(кг·°К)	λ, Вт/(м·°К)	ν, 10-6 м2/с	β, 10-4 К-1	Pr
0	999,9	4,212	0,551	1,789	0,63	3,67
10	999,7	4,191	0,574	1,306	0,7	9,52
20	998,2	4,183	0,599	1,006	1,82	7,02
30	995,7	4,174	0,618	0,805	3,21	5,42
40	992,2	4,174	0,635	0,659	3,87	4,31
50	988,1	4,174	0,648	0,556	4,49	3,54
60	983,2	4,179	0,659	0,478	5,11	2,98
70	977,8	4,187	0,668	0,415	5,7	2,55
80	971,8	4,195	0,674	0,365	6,32	2,21
90	965,3	4,208	0,68	0,326	6,95	1,95
100	958,4	4,22	0,683	0,295	7,52	1,75

Для этого необходимо определить средние температуры нагреваемого (индекс «1») и нагревающего (индекс «2») теплоносителей:





При данных значениях средних температур, удельные теплоемкости теплоносителей составляют:

                          (2)

где - удельная изобарная теплоёмкость из таблицы 2.2 для 1 теплоносителя и таблицы 2.3 для второго теплоносителя, взятая для ближайшей меньшей температуры из таблицы от средней,

- удельная изобарная теплоёмкость из таблицы 2.2 для 1 теплоносителя и таблицы 2.3 для второго теплоносителя, взятая для ближайшей большей температуры из таблицы от средней,

- температура средняя, где N это номер теплоносителя 1 или 2,

- ближайшая меньшая температура для из таблицы 2.2 для 1 теплоносителя и таблицы 2.3 для второго теплоносителя.





Из уравнения теплового баланса находим расходы теплоносителей:





Найдем необходимую мощность электронагревателей воды по формуле:

2.2 Определение режимов течения теплоносителей

Зададимся 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 Re_1f<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:

(3)

где d_ЭКВ – эквивалентный диаметр, который находится по формуле:

(4)

где D_ВНУТ – внутренний диаметр кожуха, м;

n – количество трубок округленное до ближайшего большего целого. В первом приближении определяется по формуле:



где ρ – плотность воды при t_2СР, 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 – максимальное давление в аппарате, МПа;

[σ] – предел прочности материала, МПа;

C1 – прибавка на коррозию и технологические припуски, м. ( = 0,002м).

В таком случае

Находим режима течения жидкости в межтрубном пространстве





Так как >10000, движение жидкости будет турбулентным.
2.3 Определение коэффициентов теплоотдачи
Найдем коэффициенты теплопроводности от нагревающего теплоносителя к трубкам и от трубок к нагреваемому. Для этого преобразуем формулу нахождения критерия Нуссельта:

(5)

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:

(6)

– при ламинарном режиме движения (Re < 2 300)

(7)

где индексы «f» приняты для критериев с параметрами при температуре потока, индексы «w» – с параметрами при температуре стенки;

где – поправочный коэффициент, учитывающий изменение среднего коэффициента теплоотдачи по длине трубы, если длина трубок относится к их диаметру как .

Теплоотдача при наружном обтекании труб:

– при Re > 1000:

(8)

– при Re < 1000:

(9)

– поправочный коэффициент, который учитывает влияние угла между осью пучка труб и направлением потока теплоносителя; для кожухотрубчатых теплообменников с поперечными перегородками рекомендуют принимать = 0,6, без перегородок =1.

Для нагреваемой среды при Re_1f <2300 будет справедлива следующая формула 7, Pr_1f =66,479; Pr_1w = 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.

(10)

где g – ускорение свободного падения, на поверхности Земли g=9,81 м/с²;

d – определяющий характерный линейный размер поверхности теплообмена, м;

t_w – температура поверхности теплообмена, °С;

t_f– 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 Re_2f >10000 расчет критерия Нуссельта будет осуществляться по формуле 8, где Pr_2f =2,516; Pr_2w=3,617 были рассчитаны аналогично по формуле 2 на основании данных из таблицы 2.3 для температуры t_2ср и t_w:



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 стенки

Воспользуемся 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 теплообменника

Найдем площадь поверхности теплообмена:



Отсюда возможно найти длину трубок:

м

Такая величина удовлетворяет требованию исходных данных, где прописан максимальный габарит L_MAX не более 10 м.

По итогу расчета были получены данные, указанные в таблице 2.4
Таблица 2.4 – Итоговые расчетные данные

1	Расход нагреваемого теплоносителя	7,324590702
2	Расход нагревающего теплоносителя	2,99234164
3	Коэффициент температуропроводности К,	225,3
4	Площадь теплообмена	79,9
5	Длина трубок	7,4
6	Количество трубок	171
7	Диаметр кожуха	0,426
8	Потребляемая электрическая мощность,	510,20