Кожухотрубчатый теплообменник

Кожухотрубчатый теплообменник

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

«Камчатский государственный технический университет»

Кафедра «Технологические машины и оборудование»

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по дисциплине:

«Процессы и агрегаты нефтегазовых технологий»

Выполнил: студент гр. 11 ТМБ ФЗО

И.С. Моторыкин

Петропавловск-Камчатский, 2014

Введение

Кожухотрубчатые теплообменники (рис.1) предназначены для нагрева, охлаждения, конденсации и испарения жидких и газообразных сред в технологических процессах нефтяной, химической, биохимической, нефтехимической и газовой отраслях промышленности.

По назначению аппараты делятся на теплообменники (Т), холодильники (Х), конденсаторы (К) и испарители (И).

По конструкции - на аппараты с неподвижными трубными решетками (тип Н), с температурным компенсатором на кожухе (тип К), с плавающей головкой (тип П) и с U-образными трубами (тип У).

Теплообменники предназначены для нагрева и охлаждения различных сред с температурой теплообменивающихся сред от -30 до +350оС (типы ТН и ТК) и от -30 до +450оС (типы ТП и ТУ).

Холодильники - для охлаждения различных жидких или газообразных сред пресной, морской водой или хладагентами с температурой охлаждаемой среды в кожухе от 0 до +300оС (типы ХН и ХК) и от 0 до +400оС (тип ХП) и температурой охлаждаемой среды в трубах от -20 до +60оС.

Конденсаторы - для конденсации и охлаждения парообразных сред пресной, морской водой или другими хладагентами с температурой конденсируемой среды в кожухе от 0 до +300оС (типы КН и КК) и от 0 до +400оС (тип КП) и температурой охлаждаемой среды в трубах от -20 до +60оС.

Испарители - для нагрева и испарения различных жидких сред с температурой греющей и испаряемой сред от - 30 до +350оС (типы ИН и ИК) и от -30 до 450оС (типы ИП и ИУ).

Холодильные конденсаторы (тип КТ) - для сжижения хладагента в аммиачных и углеводородных (пропан, пропилен) холодильных установках общепромышленного назначения, работающих в пределах температур конденсируемого хладагента от 0 до +100оС, при температуре охлаждающей среды от -20 до +50оС.

Холодильные испарители (тип ИТ) - для охлаждения воды и растворов давлением до 0,6 МПа в аммиачных и углеводородных (пропан, пропилен) холодильных установках общепромышленного назначения, работающих в пределах температур насыщения от +40 до -40°С; жидких технологических сред давлением 1-2,5 МПа в установках, работающих в пределах насыщения от +40 до -60°С.

Теплообменные аппараты типов П и У применяют при значительной разности температур стенок кожуха и труб, а также в случае необходимости механической чистки трубного пучка снаружи.

Теплообменные аппараты различают по:

расположению - вертикальными (типы Н, К и П) и горизонтальными (типы Н, К, П и У);

числу ходов в трубном пространстве - одноходовыми - (типы Н и К), двухходовыми (типы Н, К, П и У), четырехходовыми (типы Н, К и П) и шести ходовыми (типы Н, К и П);

компоновке - одинарными и сдвоенными;

материалу основных узлов и деталей - с деталями трубного и межтрубного пространств из углеродистой или коррозионностойкой стали; с деталями трубного пространства из коррозионностойкой стали, а межтрубного пространства - из углеродистой стали; с трубами из латуни или алюминиево-магниевого сплава и деталями межтрубного пространства из углеродистой стали.

Теплообменные аппараты изготовляют с кожухами диаметром 159; 273; 325; 400; 426; 630; 800; 1000; 1200 и 1400 мм (для типов Н и К); 1600; 1800 и 2000 мм (для типа Н); 325; 400; 426; 500; 530; 600; 630; 800; 1000; 1200 и 1400 мм (для типов П и У) и 800; 1000; 1200; 1600; 2400; 2600 и 2800 мм (для испарителей типов П и У).

Для стандартных теплообменных аппаратов типов Н и К применяют трубы 20×2 и 25×2 мм; для аппаратов типа П -трубы 20×2, 25×2 и 25×2,5 мм; для аппаратов типа У - трубы 20×2 мм.

В кожухотрубчатых теплообменных аппаратах с неподвижными трубными решетками и с температурным компенсатором на кожухе трубы расположены по вершинам равностороннего треугольника.

В кожухотрубчатых теплообменниках с U-образными трубами, теплообменниках и холодильниках с плавающей головкой трубы расположены по вершинам квадрата или равностороннего треугольника; в конденсаторах с плавающей головкой - по вершинам равностороннего треугольника; в испарителях с паровым пространством - по вершинам квадрата. Трубы в трубных решетках крепят методом развальцовки или обварки с подвальцовкой

К кожухотрубчатым теплообменным аппаратам с плавающей головкой относятся теплообменники, холодильники, конденсаторы типов ТП, ХП, КП и их модификации.

К кожухотрубчатым теплообменным аппаратам с U-образными трубами относятся теплообменники типа ТУ и их модификации.

Аппараты предназначены для теплообмена жидких и газообразных сред в технологических процессах нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической, нефтяной, газовой и других отраслях промышленности.

Задание

Рассчитать кожухотрубчатый теплообменник для охлаждения 520м3/ч (при нормальных условиях) природного газа от t1н. = 46°С док =13°С.

Состав природного газа (при нормальных условиях):

Давление природного газа pабс =23атм. Хладагентом является тот же газ под тем же давлением, но с температурой, изменяющейся от -35 до +20°С.

Δtм = t1н - t2к =46 - 20 = 26ºС;

Δtб = t1к - t2н =13 - (- 35) =48ºС.

Средняя разность температур:

где Δtб - большая разность температур, ºС;

Δtм - меньшая разность температур, ºС.

Для приближенного расчета тепловых напряжений найдем среднеарифметическую температуру того теплоносителя, абсолютное изменение температур которого наименьшее. Так, если:

,

то средняя разность температур теплого природного газа:

Среднюю температуру другого теплоносителя, холодного природного газа, определим по формуле:

I. Тепловая нагрузка

Подсчет тепла, выделяемого при охлаждении природного газа от 46 до 13°С, ведется по отдельным компонентам.

Принятые в дальнейшем плотности газов в кг/м3 (при 0°Си 760 мм рт. ст.) по приложению I:

Массовое количество газов:

Охлаждение метана

где  - количество метана, кг/ч.;

 - теплоемкость метана при 29°С, Дж/(кг·град).

Дж/(кг·град), (рис. 5).

 - начальная температура смеси, °С.;

 - конечная температура смеси, °С..

Охлаждение этана:

где - количество этана, кг/ч,кг/ч;

 - теплоемкость этана при 29°С, Дж/(кг·град),

Дж/(кг·град), (рис. 5).

 - начальная температура смеси, °С.;

 - конечная температура смеси, °С..

Охлаждение бутана:

где - количество бутана, кг/ч.;

- теплоемкость бутана при 29°С, Дж/(кг·град),

Дж/(кг·град), (рис. 5).

 - начальная температура смеси, °С.;

 - конечная температура смеси, °С..

Охлаждение пропана:

где  - количество пропана, кг/ч.;

 - теплоемкость пропана при 29°С, Дж/(кг·град),

(Дж/(кг·град), (рис. 5).

 - начальная температура смеси, °С.;

 - конечная температура смеси, °С..

Общее количество тепла, передаваемое в теплообменнике:общ = qСН4 + qС2Н6 + qС4Н10+ qС3Н8 =

=6749+1071,6+894,4+457,4=9172,4 Вт.

Определение физических констант охлаждаемого газа.

Плотность смеси при нормальных условиях:

 - массовое количество газов, кг/ч;

 - количество природного газа, поступающего на охлаждение в теплообменник, м3/ч.

Плотность смеси при рабочих условиях (t = 29°C и атм):

где  - давление природного газа в рабочих условиях, атм;

 - температура при нормальных условиях, ;

 - давление при нормальных условиях, р0 = 760 мм рт.ст. = 101300 Н/м2 = 1 атм;

 - средняя разностьтемператур теплого природного газа, °К.

Определим теплоемкость смеси при 29°C.

Влияние давления не учитываем, так как при 23атм. оно незначительно (например, теплоемкости воздуха при 1 и 6 атм отличаются всего лишь на 1%

Теплоемкость смеси:

где  - общее количество тепла, передаваемое в теплообменнике, Вт;

 - массовое количество газов в кг;

 - начальная и конечная температуры природного газа, °C.

Дж/(кг·град).

Определим вязкость смеси:

Влияние давления не учитываем, так как оно незначительно (например, при изменении давления от 1 до 20 атм, вязкость воздуха увеличивается всего лишь на 2%

Таким образом, вязкость смеси:

где  - динамический коэффициент вязкости при 29°C, Н·сек/м2·10-7или спз·10-4: для метана  = 111,7, для этана  = 89,7, для бутана  = 76,33 и для пропана  = 83

После подстановки получаем:

Определим критерий Прандтля.

Наибольший процент в смеси составляют многоатомные газы. Принимаем приближенное значение критерия Прандтля для смеси такое же, как и для метана:

Определим теплопроводность смеси.

Величину теплопроводность смеси(λсм) находим из выражения критерия Прандтля:

где  - критерий Прандля для смеси;

 - теплоемкость смеси, Дж/(кг·град);

 - вязкость смеси, Н·сек/м2.

т/(м·град).

Определение физических констант нагревающегося газа и его числового расхода.

Нагрев метана:

где  - количество метана, кг/ч.;

 - теплоемкость метана при -7,1°C,

Дж/(кг·град,Дж/(кг·град), (рис. 5).

 - средняя температуру холодного природного газа,, °С..

Нагрев этана:

где - количество этана, кг/ч.кг/ч;

 - теплоемкость этана при -7,1°C, Дж/(кг·град),

Дж/(кг·град), (рис. 5).

 - средняя температуру холодного природного газа, °С,.

Нагрев бутана:

где - количество бутана, кг/ч.;

 - теплоемкость бутана при -1,2°C, Дж/(кг·град),

Дж/(кг·град), (рис. 5).

 - средняя температуру холодного природного газа, °С,;

Охлаждение пропана:

где - количество пропана, кг/ч.;

 - теплоемкость пропана при -7,1°C, Дж/(кг·град),

(Дж/(кг·град), (рис. 5).

 - средняя температуру холодного природного газа, °С,.

Общее количество тепла, передаваемое в теплообменнике нагревающемуся газу:

Теплоемкость нагревающегося газа при средней температуре -7,1°C (аналогично расчету при 19°C):

где  - общее количество тепла, передаваемое в теплообменнике нагревающемуся газу, Вт;

 - массовое количество газов в кг;

- средняя температуру холодного природного газа,, °С,

Дж/(кг·град).

Расход нагревающегося газа:

,

где  - общее количество тепла, передаваемое в теплообменнике, Вт;

 - Теплоемкость нагревающегося газа при средней температуре -1,2°C;

 - начальная нагревающегося газа, °С, ;

 - конечная нагревающегося газа, °С,.

.

В том числе:

Расход метана

где  - массовое количество газа, кг/ч;

 - расход нагревающегося газа,кг/ч;

 - массовое количество газов,кг/ч.

.

Расход этана

.

Расход бутана

.

Расход пропана

.

Плотность смеси при давлении pабс = 23атм:

где  - давление смеси в рабочих условиях, атм;

 - температура при нормальных условиях, ;

 - давление при нормальных условиях, р0 = 760 мм рт.ст. = 101300 Н/м2 = 1 атм;

 - плотность смеси при нормальных условиях, кг/м3;

 - средняя разность температур холодного газа, °К.

Вязкость смеси при -7,1°C (аналогично расчету  при 15°C):

где  - динамический коэффициент вязкости при -7,1°C, Н·сек/м2·10-7или спз·10-4. Определим методом интерполяции, используя данные, приведенные в таблице 2: для метана  = 111,7, для этана  = 93,7, для бутана  = 76,33 и для пропана  = 83 [12].

, , ,  - объемные доли компонентов;

, , ,  - молекулярные массы компонентов;

, , ,  - критические температуры, °К.

Значения  для различных газов приведены в таблице 3.

После подстановки получаем:

Критерий Прандтля  Принимаем приближенное значение критерия Прандтля для смеси такое же, как и для метана.

Величину теплопроводность смеси(λсм) находим из выражения критерия Прандтля:

где  - критерий Прандля для смеси;

 - теплоемкость нагревающегося газа при средней температуре

,1°C, Дж/(кг·град);

 - вязкость смеси при средней температуре -7,1°C, Н·сек/м2.

Вт/(м·град).

Определение коэффициента теплоотдачи для трубного пространства.

Принимаем, что охлаждаемый газ в количестве 455,8 кг/ч пойдет в трубном пространстве, а нагревающийся газ - в межтрубном; при этом для повышения теплоотдачи в межтрубном пространстве устанавливаются поперечные перегородки.

Допустим, что в трубном пространстве будет достигнуто значение критерия Рейнольдса, соответствующее развитому турбулентному режиму, т. е. Re = 30000.Определим необходимое число труб Ø25×2 мм.

В выражение

где  - скорость потока, м/с;

 - линейный размер, м. Здесь внутренний диаметр трубы 0,021 м;

 - плотность, кг/м3;

 - динамический коэффициент вязкости, Н·сек/м2. В данном случае для природного газа при средней температуре 29°C;

подставим значение скорости:

где  - массовое количество газов, кг/ч,

и определим необходимое количество труб:

Принимаем  штук.

Скорость в трубном пространстве при :

где  - массовое количество газов, кг/ч,

 - плотность смеси при давлении pабс = 23атм;

 - площадь поперечного сечения трубного пространства, м2:

Критерий Рейнольдса:

где  - скорость потока, м/с;

 - линейный размер, м. Здесь внутренний диаметр трубы 0,021 м;

 - плотность смеси, кг/м3;

 - вязкость смеси при -7,1°C, Н·сек/м2,

Для трубного пространства при развитом турбулентном течении критерий Нуссельта:

где  - поправочный коэффициент, учитывающий влияние на коэффициент теплоотдачи отношения длины трубы L к ее диаметру  (при турбулентном режиме);  (см. табл. 4).

Коэффициент теплоотдачи для трубного пространства:

,

где  - теплопроводность охлаждаемого газа.

Определение коэффициента теплоотдачи для межтрубного пространства.

Принимаем теплообменник D = 400 мм с поперечными перегородками в межтрубном пространстве (табл. 5).

Расстояние между перегородками примем h = 300 мм.

Площадь поперечного сечения между соседними перегородками, считая по диаметру кожуха (рис. 8):

Таблица

Расстояния между сегментными перегородками в межтрубном пространстве [9]

где  - расстояние между перегородками, м;

 - диаметр кожуха теплообменника,м;

 - диаметр трубок, м.

Скорость газа при поперечном обтекании, считая по диаметру кожуха:

где  - расход нагревающегося газа, кг/ч;

 - плотность смеси нагревающегося газа, кг/м3;

 - площадь поперечного сечения между перегородками, м2,

Критерий Рейнольдса:

где  - вязкость смеси нагревающегося газа при -1,2°C, Н·сек/м2·10-7;

 - скорость газа при поперечном обтекании, м/с;

 - плотность смеси нагревающегося газа, кг/м3;

 - диаметр трубок, м.

Для теплоотдачи при поперечном обтекании шахматного пучка труб критерий Нуссельта определяется по уравнению:

где  и  - критерии Рейнольдса и Прандтля соответственно;

 - коэффициент, учитывающий влияние угла атаки φ. Значения коэффициента приведены в табл.

Таблица

Значение коэффициента , учитывающего влияние угла атаки φ

Коэффициент теплоотдачи для межтрубного пространства:

где  - теплопроводность нагревающегося газа.

Коэффициент теплопередачи:

где ,  - коэффициенты теплоотдачи для трубного и межтрубного пространства соответственно, Вт/(м2·град);

 - толщина стенки трубы, м.

 - теплопроводность стали, Вт/(м2·град) (см. табл.7), Вт/(м2·град);

 - загрязнение по обе стороны трубки,

Необходимая поверхность теплообмена:

где  - общее количество тепла, передаваемое в теплообменнике, Вт;

 - коэффициент теплопередачи, Вт/(м2·град);

 - средняя разность температур, град.

Принимаем один теплообменник с поверхностью теплообмена 15,4м2 (Прил. II).

Допускается как правило, превышение стандартной поверхности нормализованного теплообменника над расчётной не более чем 20%.

. Расчёт тепловой изоляции

Целью расчёта тепловой изоляции является определение необходимой толщины слоя теплоизоляционного материала, покрывающего наружную поверхность теплообменника с целью снижения тепловых потерь и обеспечения требований безопасности и охраны труда при обслуживании теплоиспользующих установок. Температура поверхности слоя изоляции не должна превышать 45°С.

Расчёт толщины теплоизоляционного слоя материала проводят по упрощённой схеме, используя следующие уравнения [8]:

так как , то из этого следует:

где  - коэффициент теплоотдачи в окружающую среду, Вт/м²·К;

 - толщина материала изоляции, мм;

 - коэффициент теплопроводности материала изоляции, Вт/м·К,);

, ,  - соответственно температуры наружной стенки аппарата, окружающей среды, наружной поверхности теплоизоляционного материала, °С.

Коэффициент теплоотдачи, который определяет суммарную скорость переноса теплоты конвекций и тепловым излучением для аппаратов, находящихся в закрытых помещениях, при температуре до 150°С можно рассчитать по приближённому уравнению:

Выбираем теплоизоляционный материал - стеклянная вата.

Задаём температуры:

 = 30°С,

 = 20°С,

 =25°С,

 = 0,05 Вт/м·К

Рассчитаем значение коэффициента теплоотдачи:

Найдём толщину материала изоляции:

. Гидравлический расчёт теплообменных аппаратов

Основной целью гидравлического расчёта теплообменных аппаратов является определение затрат энергии на перемещение газа через теплообменник и подбор насоса или вентилятора.

В общем случае мощность N (кВт), потребляемая двигателем насоса рассчитывается по уравнению:

где  - объёмная производительность, м³/с;

 - потеря давления при течении теплоносителя, Па;

 - соответственно коэффициенты полезного действия собственно насоса, передаточного механизма и двигателя.

Объемную производительность рассчитаем по формуле:

где  - скорость газа в трубном пространстве, м/с, ;

 - площадь проходного сечения одного хода по трубам, м²,

Рассчитываем полное гидравлическое сопротивление потока теплоносителя.

Уравнение для расчёта гидравлического сопротивления трубного пространства кожухотрубчатого теплообменника:

где  - коэффициент трения;

 - длина труб, м, ;

 - число ходов. ;

 - диаметр эквивалентный, м;

 - скорость газа в трубном пространстве и в штуцерах, м/с;

 - плотность газа, кг/м³;

 - ускорение свободного падения, м2/с;

 - высота подъема смеси, м.

В турбулентном потоке для зоны смешенного трения коэффициент трения рассчитываем по формуле:

,

где е - относительная шероховатость трубы:

 - абсолютная шероховатость трубы (средняя высота выступов микронеровностей на поверхности трубы), мм.

Значения приведены в табл. 10;

 - диаметр эквивалентный, мм.

Проверим режим потока в трубном пространстве:

Значение критерия Рейнольдса для трубного пространства, по ранее произведенным расчетам, равно  Следовательно, коэффициент трения рассчитаем по формуле:

Определим скорость газа в штуцерах:

где  - массовое количество газов, проходящее по трубному пространству, кг/с. ;

 - плотность смеси при давлении pабс =23атм, ;

 - площадь поперечного сечения потока, м2:

 - диаметр условного прохода штуцера, м,

Определим гидравлическое сопротивление трубного пространства кожухотрубчатого теплообменника:

Необходимый напор в метрах столба перекачиваемого газа при заданной подаче (расходе) смеси, перемещаемого насосом:

Предварительно выберем коэффициенты полезного действия для насоса, передачи и электродвигателя.

Если к. п. д. насоса неизвестен, можно руководствоваться примерными значениями, приведенными в табл.

Таблица

Ориентировочные значения к. п. д. насосов

К. п. д. передачи зависит от способа передачи усилия. В центробежных и осевых насосах обычно вал электродвигателя непосредственно соединяется с валом насоса; в этих случаях  В поршневых насосах чаще всего используют зубчатую передачу; при этом

К. п. д. двигателя зависит от номинальной мощности (табл.).

Таблица

К. п. д. электродвигателей

И определяем мощность, потребляемую двигателем насоса:

. Конструктивно-механический расчёт

В задачу конструктивно-механического расчёта входит определение необходимых геометрических размеров отдельных деталей и узлов, которые определяют конструкцию теплообменного аппарата, его механическую прочность и геометрические размеры.

Расчёт и подбор штуцеров.

Диаметр условного прохода (внутренний диаметр) штуцеров для подвода и отвода теплоносителей рассчитывается на основе уравнения массового расхода:

кожухотрубчатый теплообменник охлаждение газ

откуда

где  - скорость течения теплоносителя в штуцере, м/с. м/с;

 - массовое количество газов, проходящее по трубному пространству, кг/с. ;

 - плотность смеси при давлении pабс =23атм. .

Для охлаждаемого газа:

Для теплоносителя (нагревающегося газа):

Обечайка теплообменного аппарата.

Обечайка - это цилиндрический корпус аппарата, который работает, как правило, под избыточным внутренним или внешним давлением. Толщина стенки обечаек, работающих под внутренним давлением, рассчитывается по уравнению:

где  - расчетное давление в аппарате, МПа;

 - диаметр обечайки, мм;

 - предельно допускаемое напряжение, МПа. Для стали Ст5 МПа;

 - коэффициент прочности сварного шва.

Толщина стенки обечайки после вычисления назначается, исходя из условия:

где  - прибавка на коррозию, мм,.

Расчетное давление в аппарате:

где  - предельно допускаемое напряжение, МПа. Для стали Ст5 МПа.

МПа.

Толщина стенки обечайки:

Толщина трубных решёток.

В среднем толщина трубных решёток составляет от 15 до 35 мм в зависимости от диаметра развальцованных теплообменных труб и конструкции теплообменника. Это связано с тем, что напряжения, под действием которых находится и работает трубная решетка, определяется не только давлением рабочей среды, но и особенностями конструкции аппарата.

Ориентировочно толщину трубных решёток можно принять равной:

где  - диаметр труб, мм.

В случае вальцованных соединений с наружным диаметром труб более 19 мм минимальный шаг расположения труб получают по условию:

Примем фактический шаг размещения труб  равным .

Причем ширина простенка (мм) должна быть, в свою очередь, связана условием:

где dh - наружный диаметр трубы, мм;

 - принятый шаг расположения труб, мм.

Большее значение шага выбирают для труб меньшего диаметра.

Внутренний диаметр корпуса аппарата при расположении труб по сторонам правильных шестиугольников определяют по выражению:

где  - число труб, расположенных по диагоналям наибольшего шестиугольника.