По степени общественной опасности

Рекомендуемая литература

Вопросы для самопроверки

Цель работы

Цель работы

Углубление навыков тепловых расчётов теплообменной аппаратуры.

9.2. Задачи и примерная последовательность расчёта

В задании для проведения поверочного расчета указываются:

конструкция теплообменного аппарата;

площадь поверхности нагрева F, м;

длина труб 1 и их число n и диаметры D₁ D₂, м;

площади проходных сечений для теплоносителей F₁, F₂, м²;

1, G₂ кг/с, т/ч:

расходы теплоносителей G₁, G₂ кг/с, т/ч;

температуры теплоносителей при входе в теплообменник;

давления теплоносителей при входе, Па.

Как отмечалось ранее, целью поверочного расчета является определение конечных параметров, , то есть проверка пригодности

теплообменника для имеющихся условий. Сложность расчета заключается в том, что уже в самом начале необходимо знать конечные температуры теплоносителей, поскольку они входят в уравнение теплового баланса и в уравнение теплопередачи. Как известно, для определения коэффициентов теплоотдачи необходимо располагать теплофизическими параметрами теплоносителей при средних температурах сред. А эти величины могут быть определены только при известных конечных температурах. Поэтому при проведении проверочного расчета применяется уже упоминавшийся метод последовательных приближений:

1. Задаются значениями конечных температур теплоносителей

2. Вычисляют приближенные значения средних температур теплоносителей t1 и

3.Определяются теплофизические свойства теплоносителей, (или v),

, соответствующие приближенным значениям их температур ().

Re,

5. Определяются числа Рейнольдса Re₁ Re₂:

4. Определяются скорости движения (течения) теплоносителей по формуле:

6. По вычисленным значениям Rei и Re₂ определяются формулы для расчетного определения коэффициентов теплоотдачии

7. Вычисляются коэффициенты теплоотдачи а] и а₂.

8. Принимаются (или определяются) термические сопротивления.

9. По формуле (9.15) или (9.23) вычисляется коэффициент теплопередачи к.

10. Вычисляется значение hF (водяной эквивалент поверхности теплообмена).

При схеме движения «противоток»:

11. Определяется индекс противоточности П. В случае перекрестной схемы
движения конечные температуры теплоносителей находятся в промежутке
между конечными температурами для прямотока и противотока. Поэтому в
приближенных расчетах можно воспользоваться одной из указанных схем
движения (теплообмена). Для смешанного тока расчет может производиться как
для противотока.

12. По формулам известным из теоретического курса вычисляются полные
расходные теплоемкости (водяные эквиваленты) потоков теплоносителей w_b w₂.
13.Вычисляются перепады температур теплоносителей (при входе и выходе):
13.1. При схеме движения «прямоток»:

15. Сравниваются вычислительные значения температур теплоносителей с
принятыми предварительно. При их расхождении более чем на 3...5%, расчёт
повторяют. Расчёт конечных температур теплоносителей повторяется до тех пор,
пока t] и t₂, вычисленные из последующего приближения, не будут совпадать с t]
и t₂, полученными из предыдущего с точностью 3...5%.

16. По формулам (9.7 - 9.10) определяются значения искомых параметров.

17. Определяется тепловая мощность аппарата (аппаратов). С целью контроля
вычисления проводится по нескольким формулам:

9.3. Основные вопросы для самопроверки

1. Почему при расчётах необходимо располагать значениями средних
температур теплоносителей?

2. Почему при расчётном определении средних линейных скоростей
теплоносителей необходимо располагать значениями их удельных
объёмов?

3. Какие параметры называются граничными?

4. Почему представляется возможным определение двух неизвестных
граничных температур теплоносителей по двум известным значениям?
Значение каких еще параметров при этом является необходимым?

5. Вследствие каких причин является необходимым проведение вычислений
теплового потока, воспринимаемого нагреваемым теплоносителем, по
нескольким различным формулам?

6. Как может быть определен фактический тепловой поток,
воспринимаемый нагреваемым теплоносителем?

7. В чем принципиальное отличие поверочного (проверочного) расчета от
других?

8. Как может быть проверена достаточность размера рабочей поверхности
теплообменника требуемым условиям?

9. По каким на Ваш взгляд причинам может возникнуть расхождение между
расчетными и фактическими параметрами работа теплообменной
аппаратуры, в том числе: t'^t",Q₂?

10.Какими данными необходимо располагать для проведения поверочного

расчета теплообменного аппарата? 11.На основе каких данных могут быть определены значения скоростей

движения теплоносителей при проведении поверочных расчетов

теплообменных аппаратов? 12.Является ли необходимым знание давлений рабочих сред для проведения

поверочных расчетов теплообменных аппаратов?

13.Как можно убедиться в достоверности результатов поверочных расчетов? 14.Какие цели преследуют конструктивный и проверочный расчёты

теплообменных аппаратов? 15.Изложите логический порядок конструктивного расчёта теплообменного

аппарата. 16.Изложите логический порядок проверочного (поверочного) расчёта

теплообменного аппарата.

17.Что собой представляет полная расходная теплоёмкость теплоносителя? 18.Какие числа подобия являются определяющими для теплообмена при

естественной и какие при вынужденной конвекции? 19.Газ и капельная жидкость движутся с равными скоростями в трубах с

одинаковыми внутренними диаметрами. В котором случае коэффициент

конвективной теплоотдачи выше?

20.Какие режимы течения теплоносителя возможны при вынужденном течении теплоносителей в трубах? Что принято в качестве критерия оценки режима течения?

21.Почему необходимо увязывать уравнение теплового баланса с уравнением теплопередачи теплообменника?

Тема 5. ПРАКТИКА ГИДРАВЛИЧЕСКОГО РАСЧЁТА ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ

Углубление навыков гидравлических расчётов теплообменной аппаратуры.

10.2. Задачи и примерная последовательность расчёта

Одной из главных задач гидравлического расчёта является определение затрат энергии на движении теплоносителей через аппарат. Как известно, эти затраты зависят от величин расходов теплоносителей и преодолеваемых ими гидравлических сопротивлений. Эффективная мощность насоса для перекачки (перемещения) одного из теплоносителей находится по формуле:

где АР- гидравлическое сопротивление аппарата, Па;

- относительный внутренний к.п.д. насоса (=0,75...0,8);

- механический к.п.д. насоса (=0,93...0,96).

Гидравлическое сопротивление представляет собой разность давлений теплоносителя при входе в аппарат (P1) и выходе из него (Р₂), то есть - падение давления. Падения давления происходит из-за преодоления потоком теплоносителя различных гидравлических сопротивлений на пути движения в аппарате. Падения давления теплоносителя, движущегося в элементе теплообменника длинойсо скоростью U, находится по формуле:

где- плотность теплоносителя при входе в аппарат и выходе из него,

кг/м³;

— средняя плотность теплоносителя в аппарате, кг/м;

g- ускорение свободного падения (земного притяжения), м/с²;

- нивелирные высоты входного и выходного патрубков аппаратов, м;

— коэффициент сопротивления трения;

- коэффициент 1-го местного гидравлического сопротивления;

- падение давления, обусловленное ускорением потока, то есть изменением ее кинетической энергии.

— эквивалентный диаметр элемента, м.

где АР_ГС - падение давления, вследствие изменения нивелирной высоты (изменение нивелирной высоты - вертикальной координаты), то есть, на изменение гидростатического давления жидкости.

(10.5)

где АР_С - падения давления на преодоление сопротивления тренияи

на преодоление местных сопротивленийi.

Величина АР_У может приниматься во внимание только в случаях, когда теплоноситель - сжимаемая жидкость (газ), а изменение давления в аппарате (АР) очень значительно. В жидких теплоносителях влиянием этой составляющей можно пренебрегать (). Величина в обычных

условиях незначительна. Например: при подъеме воды с нулевой отметки (поверхности земли) на высоту 10 м гидростатическое давление меняется на

Обычно в теплообменных аппаратах

существенными являютсяПоэтому их гидродинамический расчёт

по существу сводится к определению этих двух составляющих потерь давления. Сопротивление трениявызвано главным образом вязкостью,

где £ - полная длина пути теплоносителя в аппарате, м; D₃ - эквивалентный диаметр, м. При ламинарном течении:

При турбулентном течении:

где s — относительная шероховатость стенок. При ламинарном изотермном течении (Re<2300):

При турбулентном изотермном течении:

вследствие чего внутри жидкости и между жидкостью и стенкой возникают силы трения, на преодоление которых необходимо затратить соответствующую мощность. Сопротивление трения также и от гидродинамических условий жидкости. В первом приближении можно считать, что при ламинарном режиме течения сопротивление трения пропорционально скорости, а при турбулентном режиме - квадрату скорости. В практических расчётах сопротивление трения определяется по известной из курса технической гидромеханики формуле:

Для определения значений A_тр при Re = (4...100)*10... рекомендуется эмпирическая формула:

Рассмотренные формулы для расчета справедливы для изотермных

условий, то есть, когда теплообмен отсутствует и, следовательно, использование их применительно к движению сред в теплообменниках без внесения соответствующих поправок неправомерно. Влияние неизотермности можно учитывать при помощи поправки:

Тогда формула для расчета коэффициента сопротивления при неизотермном течении (Л_ГР,) примет вид:

Для случаев движения эмульсий типа «нефть в воде» в трубах теплообменных аппаратов предлагается формула:

Эта формула получена на основании обобщения результатов экспериментального изучения гидравлического сопротивления при неизотермном течении эмульсий типа «вода в нефтяной жидкости».

Границы ее применимости:

Величину коэффициента местного сопротивления находят отдельно для каждого элемента. При особо ответственных случаях подсчитывают, также для каждого случая их суммируют. Но с небольшим ущербом для точности все коэффициенты местных сопротивлений можно суммировать и отнести к одной средней скорости движения теплоносителя, то есть:

При расчёте теплообменников зависимостью величин £, от режима течения и расстояния между местными сопротивлениями можно пренебречь и принимать их числовые значения постоянными. Значения коэффициентов местных сопротивлений, наиболее часто встречающихся в теплообменных аппаратах, следующие:

входная или выходная камера (удар и поворот) 1,5

вход в межтрубное пространство 1,5

выход из межтрубного пространства 1,0

вход в трубное пространство и выход из него 1,0

поворот на 180° между ходами или элементами 2,5

поворот на 180° через колено в элементах (секционных) аппаратов 2,0

огибание перегородок, установленных в межтрубном пространстве 1,5

поворот на 180° в U-образной трубе 0,5

огибание перегородок, поддерживающих трубки 0,5
поперечное омывание труб в межтрубном пространстве при числе
труб равном

Гидравлическое сопротивление пучка труб при продольномомывании (вдоль осей труб) рассчитывается также по формулам (10.5) и (10.11). При этом

вместо D, подставляется гидравлический или эквивалентный диаметр,

определяемый по формуле (10.14). При движении теплоносителя в кольцевом пространстве теплообменников «труба в трубе» эквивалентный диаметр определяется по формуле (10.13). При последовательном соединении теплообменников их гидравлические сопротивления суммируются.

В случае параллельного включения теплообменников, имеющих одинаковые гидравлические сопротивления, расчет потерь давления ведется по наиболее удаленному участку от насоса. Гидравлическое сопротивление практически любого теплообменника зависит от квадрата скорости, то есть уменьшается площадь требуемой рабочей поверхности. Это создаёт условия уменьшения размеров и, соответственно, стоимости теплообменника. Но при этом вследствие возрастания АР увеличивается расход энергии на перемещение теплоносителя, то есть, стоимость электроэнергии, израсходованной на привод в действии насоса. Поэтому вопрос выбора теплообменника должен решаться на основе технико-экономических соображений.

Примечание:

Кроме рассмотренных, к теплообменной аппаратуре предъявляется ряд других, также взаимно противоречащих, требований. Например, низкая металлоемкость - надёжность; высокая эффективность - простота; использование дешевых и недефицитных материалов - устойчивость к коррозии и ряду агрессивных сред; ремонтопригодность - минимум разъемных соединений. Поэтому инженерное решение задачи может быть только компромиссным.

1. Что вы имеете ввиду под гидравлическим расчётом теплообменного
аппарата?

2. Какими необходимо располагать данными для определения мощности
требуемой для приведения в действие насосов, перекачивающих
теплоносители через теплообменный аппарат?

3. Почему в формулу для определения потери давления (напора) в
теплообменном аппарате входит величина линейной скорости движения
в квадрате?

4. Влияет ли изменение температур входа (г⁷) или выхода (t^/;) из аппарата
на величину требуемой мощности для приведения в действие (привода)
насоса, перекачивающего через аппарат рабочую жидкость?

5. Как можно выявить влияние образования отложений в
теплообменниках на их гидравлические сопротивления?

6. Из каких составляющих складывается гидравлическое сопротивление
теплообменной аппаратуры?

7. От каких факторов зависит линейное гидравлическое сопротивление
теплообменного аппарата?

8. Меняется ли гидравлические сопротивления теплоносителей в
зависимости от изменения их средних температур? Если меняются,
объясните направление этих изменений: а) при повышении

температуры; б) при понижении температуры.

9. В чём может выражаться влияние естественной конвекции на
гидравлическое сопротивление? Чем оно обусловлено?

10. Может ли изменение количества потоков по длине участка
теплообменного аппарата повлиять на степень турбулентности потока
на этом участке?

11. Объясните поведение числа Рейнольдса по длине пути в
неизотермическом потоке в случаях нагрева и охлаждения.

12.Как можно определить гидравлическое сопротивление теплообменного

аппарата по экспериментальным данным? Какие необходимо для этой

цели данные? 13.В силу каких причин могут различаться результаты расчётных и

экспериментальных данных для одного и того же аппарата? Назовите

основные из них и второстепенные. 14. Почему в теплообменных аппаратах необходимы устройства для

выпуска воздуха и слива остатков жидкостей? 15.Что может являться причиной возникновения гидравлических ударов в

теплообменных аппаратах?

16.Расскажите об основных особенностях переходного режима течения. 17.Какие необходимы приборы для проведения испытаний

теплообменника с целью определения его характеристики AP=f(co) (АР -

потери давления, со-скорость движения)?

1. Андреев В.А. Теплообменные аппараты для вязких жидкостей. Л.: Энергия,
1971.-150с: ил.

2. Антипов А.И. Тепловой расчёт технологических линий и теплотехнического
оборудования объектов промысловой подготовки нефти. Казань.: ФЭН, 2002. -
284 с.

3. Бажан Н.И., Каневец Г.Е., Селиверстов В.М. Справочник по теплообменным
аппаратам. - М.: Машиностроение, 1989. - 366с: ил.

4. Трубчатые печи. Тр. ГИПРОНЕФТЕМАШ, вып. 515, под ред. Бахшияна Ц.А. -
М: Химия, 1969 - 250 с: ил.

5. Григорьев В.А. и др. Краткий справочник по теплообменным аппаратам. Под
ред. Лебедева П.Д. М., Л.: Госэнергоиздат, 1962. - 255 с: ил.

6. Ентус Н.Р., Шарихин В.В. Трубчатые печи в нефтеперерабатывающей и
нефтехимической промышленности. М.: Химия, 1987. - 306 с: ил.

7. Каспарьянц К.С, Кузин В.И., Григорян Л.Г. Процессы и аппараты для объектов
промысловой подготовки нефти и газа. М.: Недра, 1977. - 255 с: ил.

8. Киселёв П.Г. Справочник по гидравлическим расчётам. - М.: Госэнергоиздат,
1961.

9. Молоканов Ю.К. Процессы и аппараты нефтегазопереработки. изд. 2-е. М.:
Химия, 1987.-368 с: ил.

10. Отраслевая нормаль ОН 26-02-159-69 «Трубчатые печи. Типы, параметры,
основные размеры». - М.: ВНИИНефтемаш, 1970. - 27 с: ил.

11. Плетницкая А.Б. Методика теплого и гидравлического расчётов типовых
кожухотрубных теплообменных аппаратов с вынужденным движением
нефтепродуктов. - М.: ГИПРОНЕФТЕМАШ, 1963. - 102 с: ил.

12.Поршаков Б.П., Бикчентай Р.Н., Романов Б.А. Термодинамика и теплопередача

в технологических процессах нефтяной и газовой промышленности. М.: Недра,

1987.-352 с: ил. 13.Трошин А.К. Последовательность теплового и гидравлического расчётов

теплообменных аппаратов. М.: МИНГ им. Губкина И.М., 1986. - 27 с. 14.Трошин А.К. Теплоносители тепло - и массообменных аппаратов и их

теплофизические свойства. М.: МИНХ и ГП им. Губкина И.М., 1984. - 95 с. 15.Эмирджанов Р.Т., Лемберанский Р.А. Основы технологических расчётов в

нефтепереработке и нефтехимии. М.: Химия, 1989 - 170 с: ил.

16. Промышленные тепломассообменные процессы и установки/ A.M. Бакластов и
др.; М.: Энергоиздат, 1986.

17. Тепломассообменные аппараты холодильных установок/ Г.Н. Данилова, С.Н.
Богданов и др.; Под ред. Г.Н. Даниловой. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-
ние, 1986.,

18.Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. М.: Наука, 1981.

19. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии/
К.Ф. Павлов и др.; Л.: Химия, 1981.

20. Кузнецов А.А., Кагерманов СМ., Судаков Е.Н. Расчёты процессов и аппаратов
нефтеперерабатывающей промышленности. - Л.: Химия, 1974. - 344с.

Дата добавления: 2013-12-13