Типы теплообменных аппаратов и особенности их конструкции

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Ухтинский государственный технический университет»

(УГТУ)

«Тепловой и гидравлический расчет теплообменного аппарата»

Методические указания

Ухта 2013

УДК 536.2 (075)

Михайленко Е. В.

«Тепловой и гидравлический расчет теплообменного аппарата» методические указания к выполнению курсовой работы по дисциплине «Термодинамика и теплопередача» для студентов 131000 «Нефтегазовое дело» [Текст] / Е.В. Михайленко – Ухта: УГТУ, 2013. – 38 с.

Методические указания содержат задание и методику расчета задач для выполнения курсовой работы «Тепловой и гидравлический расчет теплообменного аппарата», которая выполняется студентами специальности 131000 «Нефтегазовое дело» в процессе изучения дисциплины «Термодинамика и теплопередача».

Содержание курсовой работы соответствует рабочей программе.

Методические указания рассмотрены и одобрены заседанием кафедры теплотехники, теплогазоснабжения и вентиляции от 12 февраля 2013 пр. № 6.

Рецензент: Манжиков Анатолий Васильевич, доцент кафедры теплотехники теплогазоснабжения и вентиляции Ухтинского государственного университета.

Редактор: Артеева Л.В., доцент кафедры теплотехники теплогазоснабжения и вентиляции Ухтинского государственного технического университета.

В методических указаниях учтены предложения рецензента и редактора.

План 2013 г., позиция ____.

Подписано в печать ___________. Компьютерный набор

Объем 18 с. Тираж 100 экз. Заказ № _____.

© Ухтинский государственный технический университет, 2013

169300, Республика Коми, г. Ухта, ул. Первомайская, д. 13.

Типография УГТУ.

169300, Республика Коми, г. Ухта, ул. Мира д. 4

Введение

Курсовая работа «Тепловой и гидравлический расчет теплообменного аппарата» выполняется студентами специальности 131000 «Нефтегазовое дело» в процессе изучения дисциплины «Термодинамика и теплопередача». Расчет теплообменного аппарата служит конкретным примером применения основных положений курса в инженерной практике.

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 и участвуют в качестве основного технологического оборудования в процессах: нагрева, охлаждения, конденсации, испарения, очистки жидкости, газа, пара и их смесей.

Данная курсовая работа направлена на освоения навыков расчета теплообменного оборудования. Умение вести расчет и анализировать рабочий процесс рассматриваемого оборудования позволит повысить эффективность его работы, что в свою очередь приводит к сокращению расходов топлива и экономии энергии.

Содержание

Общие методические указания

Курсовая работа состоит из пояснительной записки и графической части. Пояснительная записка включает в себя следующие разделы: содержание, введение, исходные данные, тепловой расчет теплообменного аппарата, гидродинамический расчет теплообменного аппарата, используемая литература.

Графическая часть включает в себя схему теплообменного аппарата, с нанесением основных размеров. Оформляется на листе формата А4.

Курсовая работа выполняется на листах формата А4 в печатном или рукописном варианте. Поля: слева - 3см, справа - 1см, сверху – 1,5 см, снизу – 2 см. Страницы работы следует нумеровать арабскими цифрами, соблюдая сквозную нумерацию по всему документу. Номер проставляется внизу посередине листа. Титульный лист включается в общую нумерацию, но номер страницы на нем не проставляется (в настройках начинается с нуля). Шрифт Times New Roman размер 14, обычный, полуторный интервал. Заголовки и подзаголовки выделяются жирным начертанием, заголовки располагаются по центру страницы, подзаголовки по левому краю. Объем работы должен быть не менее 15 машинописных листов.

Титульный лист оформляется в соответствии с образцом (Приложение 1).

Графическая часть включает в себя схему теплообменного аппарата, с нанесением основных размеров, в масштабе стандартного ряда. Оформляется на листе формата А4.

Расчет производится с указанием формул и расшифровкой входящих в них обозначений и указанием единиц международной системы (СИ). Нумерация формул сквозная, формула в центре, номер проставляется справой стороны страницы.

Исходные данные для расчета принимаются по Приложению 2 данного методического указания.

После проверки преподавателем курсовой работы, в случае если нет ошибок и замечаний, студент допускается к защите работы. Оценка выставляется по результатам устной защиты курсовой работы.

Типы теплообменных аппаратов и особенности их конструкции

Теплообменный аппарат – это устройство, в котором осуществляется процесс передачи теплоты от одного теплоносителя к другому для осуществления различных тепловых процессов, например нагревания, охлаждения, кипения, конденсации или более сложных физико-химических процессов, таких как сушка, увлажнение, ректификация, абсорбция и т.д.

По способу передачи тепла теплообменные аппараты делят на поверхностные и смесительные. В поверхностных аппаратах рабочие среды обмениваются теплом через стенки из теплопроводного мате риала, а в смесительных аппаратах тепло передается при непосредственном перемешивании рабочих сред.

Поверхностные теплообменные аппараты, в свою очередь, делятся на рекуперативные и регенеративные. В рекуперативных аппаратах теплообмен между различными теплоносителями происходит через разделительные стенки. При этом тепловой поток в каждой точке стенки сохраняет одно и то же направление. В регенеративных теплообменниках теплоноситель попеременно соприкасается с одной и той же поверхностью нагрева. При этом направление теплового потока в каждой точке стенки периодически меняется.

Основными элементами кожухотрубчатых теплообменных аппаратов являются пучки труб, трубные решетки, корпус, крышки, патрубки.

Среду обычно направляют противотоком друг к другу. При этом нагреваемую среду направляют снизу вверх, а среду, отдающую тепло – в противоположном направлении. Такое направление движения каждой среды совпадает с направлением, в котором стремится двигаться данная среда под влиянием изменения ее плотности при нагревании и охлаждении.

Для увеличения скорости движения теплоносителей с целью интенсификации теплообмена нередко устанавливают перегородки, как в трубном, так и в межтрубном пространствах.

В кожухотрубчатом теплообменнике (рисунок 1) одна из обменивающихся теплом сред 1 движется внутри труб (в трубном пространстве), а другая 2 – в межтрубном пространстве.

1 - корпус (обечайка); 2 - трубные решетки; 3 - трубы; 4 - крышки; 5 - перегородки в крышках; 6 - перегородки в межтрубном пространстве.

Рисунок 1– Схемы кожухотрубчатых теплообменных аппаратов:

а) одноходового, б) многоходового

Трубы в решетках обычно равномерно размещают по, периметрам правильных шестиугольников, т.е. по вершинам равносторонних треугольников (рисунок 2 а), реже применяют размещение труб по концентрическим окружностям (рисунок 2 б). В отдельных случаях, когда необходимо обеспечить удобную очистку наружной поверхности труб, их размещают по периметрам прямоугольников (рисунок 2 в). Все указанные способы размещения труб преследуют одну цель обеспечить, возможно, более компактное размещение необходимой поверхности теплообмена внутри аппарата. В большинстве случаев наибольшая компактность достигается при размещении трубок по периметрам правильных шестиугольников.

а) по периметрам правильных шестиугольников; б) по концентрическим окружностям; в) по периметрам прямоугольников (коридорное расположение).

Рисунок 2 – Способы размещения труб в теплообменных аппаратах

Кожухотрубчатые теплообменные аппараты могут быть вертикальными, горизонтальными и наклонными в соответствии с требованиями технологического процесса или удобства монтажа. В зависимости от величины температурных удлинений трубок и корпуса применяют кожухотрубчатые теплообменники жесткой и нежесткой конструкции.

Аппараты жесткой конструкции используют при сравнительно небольших разностях температур корпуса и пучка труб, эти теплообменники отличаются простотой устройства.

В теплообменниках нежесткой конструкции предусматривается возможность некоторого независимого перемещения теплообменных труб и корпуса для устранения дополнительных напряжений и температурных удлинений.

Элементные теплообменные аппараты состоят из последовательно соединенных элементов–секций (рисунок 3). Сочетание нескольких элементов с малым числом труб соответствует принципу многоходового кожухотрубчатого аппарата, работающего на наиболее выгодной схеме противоточной. Элементные теплообменники эффективны в случае, изменения агрегатного состояния. Их также целесообразно применять при высоком давлении рабочих сред. Отсутствие перегородок снижает гидравлическое сопротивление и уменьшает степень загрязнения межтрубного пространства. Однако по сравнению с многоходовыми кожухотрубчатыми теплообменниками элементные теплообменники менее компактны и более дороги из–за увеличения числа дорогостоящих элементов аппарата – трубных решеток, фланцевых соединений, компенсаторов и др.

Рисунок 3 – Схема элементного теплообменного аппарата

Теплообменные аппараты типа «труба в трубе» состоят из ряда последовательно соединенных звеньев (рисунок 4). Каждое звено представляет собой две соосные трубы. Для удобства чистки и замены внутренние трубы обычно соединяют между собой «калачами» или коленами. Двух трубные теплообменники, имеющие значительную поверхность нагрева состоят из ряда секций, параллельно соединенный пар, то его, как правило, направляют в межтрубное (кольцевое) пространство. Такие теплообменники часто применяют как жидкостные или газожидкостные. Подбором диаметров внутренней и наружной труб можно обеспечить обеим рабочим средам, участвующим в теплообмене, необходимую скорость для достижения высокой интенсивности теплообмена.

Преимущества двухтрубного теплообменника: высокий коэффициент теплоотдачи, пригодность для нагрева или охлаждения сред при высоком давлении, простота изготовления, монтажа и обслуживания.

Недостатки двухтрубного теплообменника: громоздкость, высокая стоимость вследствие большого расхода металла на наружные трубы, не участвующие в теплообмене, сложность очистки кольцевого пространства.

Рисунок 4 – Схема теплообменного аппарата типа «труба в трубе»

Поверхность нагрева витых теплообменных аппаратов (рисунок 5) компонуется из ряда концентрических змеевиков, заключенных в кожух и закрепленных в соответствующих головках. Теплоносители движутся по трубному и межтрубному пространствам.

Рисунок 5 – Витой теплообменник

Витые теплообменники широко применяют в аппаратуре высокого давления для процессов разделения газовых смесей методом глубокого охлаждения. Эти теплообменники характеризуются способностью к самокомпенсации, достаточной для восприятия деформаций от температурных напряжений.

В последнее время распространены пластинчатые разборные теплообменные аппараты, отличающиеся интенсивным теплообменом, простотой изготовления, компактностью, малыми гидравлическими сопротивлениями, удобством монтажа и очистки от загрязнений.

1, 2, 11, 12 – штуцера; 3 – неподвижная плита; 4 – верхнее угловое отверстие; 5 – кольцевая резиновая прокладка; 6 – граничная пластина; 7 – штанга; 8 – нажимная плита; 9 – задняя стойка; 10 – винт; 13 – большая резиновая прокладка; 14 – нижнее угловое отверстие; 15 – теплообменная пластина

Рисунок 6 – Схема пластинчатого теплообменника

Это теплообменники состоят из отдельных пластин, разделенных резиновыми прокладками, двух концевых камер, рамы и стяжных болтов (рисунок 6). Пластины штампуют из тонколистовой стали (толщина 0,7 мм). Для увеличения поверхности теплообмена и турбулизации потока теплоносителя проточную часть пластин выполняют гофрированной или ребристой.

К пластинам приклеивают резиновые прокладки круглой и специальной формы для герметизации конструкции; теплоноситель направляют либо вдоль пластины, либо через отверстие в следующий канал.

Движение теплоносителей в пластинчатых теплообменных аппаратах может осуществляться прямотоком, противотоком и по смешанной схеме.

В спиральном теплообменном аппарате (рисунок 7) поверхность теплообмена образуется двумя 1 металлическими листами 1 и 2, свернутыми по спирали. Внутренние концы листов приварены к глухой перегородке З, а их наружные концы сварены друг с другом. С торцов спирали закрыты установленными на прокладках плоскими крышками 4 и 5. Таким образом внутри аппарата образуются два изолированных один от другого спиральных канала (шириной 2–8 мм), по которым, обычно противотоком, движутся теплоносители. Как показано на рисунок 12, теплоноситель 1 поступает через нижний штуцер и удаляется через боковой штуцер в правой крышке теплообменника, а теплоноситель 2 входит в верхний штуцер и удаляется через боковой штуцер в левой крышке.

Рисунок 7 – Схема спирального теплообменного аппарата