Расчет теплообменного аппарата типа "труба в трубе"

Теплообменный аппарат  типа “труба в трубе

 Последовательность расчета теплообменника.

1. Выбирают конечную температуру одного из потоков теплообменивающих  сред. Она должна  быть принята такой, чтобы обеспечить достаточно  высокий средний температурный напор в теплообменнике.
2. Из уравнения теплового баланса теплообменника определяют энтальпию того потока, конечная температура которого неизвестна. По энтальпии находят конечную температуру этого потока. Рассчитывают тепловую нагрузку теплообменника.
3. Рассчитывают  средний температурный напор в теплообменнике. Определяют поверхность теплообменника по предварительно выбранному коэффициенту теплопередачи.
4. По нормали ВНИИНефтемаша Н382-56 [43,с. 215] для расчета принимают один из теплообменников типа “труба в трубе”.
5. Определяют физические параметры теплоносителей:  коэффициент теплопроводности, теплоемкость, плотность, кинематическую вязкость теплоносителей при их средних температурах в теплообменнике.
6. Определяют коэффициент теплоотдачи  со стороны теплоносителя, проходящего по внутренним трубам теплообменника. Предварительно рассчитывают скорость этого теплоносителя и величину критерия Рейнолльдса (последнюю необходимо определить также для предварительного выбора расчетной формулы, по которой находится коэффициент теплоотдачи). Затем находят коэффициент теплоотдачи со стороны теплоносителя, проходящего в межтрубном пространстве  кольцевого сечения.
7. Определяют коэффициент теплопередачи в теплообменном аппарате для следующих четырех случаев:

а)при отсутствии оребрения и чистых поверхностях внутренних труб;

б)при отсутствии оребрения и загрязненных поверхностях внутренних труб;

в)при оребрении  наружной поверхности внутренних труб и отсутствии загрязнений;

г)при оребрении  наружной поверхности внутренних труб и наличии загрязнений.

Коэффициенты  теплопередачи случаев а) и в) в последующих расчетах не используются. Их определяют только для того чтобы  путем сравнения  можно было показать влияние загрязнений на величину коэффициента   теплопередачи  в аппарате.

8. Определяют поверхность  теплообмена и необходимое число принятых для расчета (см.п.4)теплообменных аппаратов.
9. Рассчитать  необходимую поверхность теплообмена и число теплообменных  аппаратов типа “труба в трубе”для нагревания гидрогенизата гидроочищенным дизельным топливом при следующих исходных данных:

А) гидоочищенное  дизельное топливо : количество - =52696,075 кг/ч; относительная плотность =0,8184;

кинематическая  вязкость- = при 323К ;

Б) гидрогенизат  количество ; ;  при 303К ; =393К

Рассмотреть вариант  расчета : наружная и внутренняя трубы гладкие.

Расчет:

              1.Выбор конечной температуры

На основании  практических данных примем конечную температуру дистиллята дизельного топлива  . Во всех  последующих расчетах за исключением специально оговоренных случаев ,в обозначениях  величин  нижний индекс “1”относится к горячему теплоносителю (гидоочищенное дизельное топливо),а нижний индекс “2”- к холодному теплоносителю (гидрогенизат).

  2.Температура  нефти на выходе из теплообменника  и его тепловая                    

      Загрузка

Запишем уравнение  теплового баланса аппарата  в  следующем виде:

) )

где  ; -энтальпия гидроочищенного дизельного топлива, при начальной ( )и конечной ( ) температурах, кДж/кг; ; -энтальпия гидрогенизата при начальной ( )и конечной( ) температурах ,кДж/кг;          -коэффициент использования тепла, равный 0,93-0,97(для данного расчета принято значение 0,95).

Из этого уравнения  определим энтальпию гидрогенизата и затем ее конечную температуру .Для дальнейших расчетов необходимо относительные плотности теплоносителей пересчитать с на [44,с 34]- тогда получим (вычисления опущены): - для гидроочищенного дизельного  топлива, - для гидрогенизата.

Энтальпия теплоносителей определены по таблице(см. приложение 2)

.

Подставляя найденные  величины в уравнение  теплового  баланса, получим:

52696,075(656,66-244)=50588,22792( ) откуда =428,85 кДж/кг. Этой энтальпии соответствует температура =323К

Тепловая нагрузка теплообменника равна: кВт

          3.Средний температурный напор

Средний температурный  напор  в теплообменнике  определяем по формуле Грасгофа, имея ввиду, что в аппарате осуществляется противоток теплоносителей  по схеме:

            523 323

              393 303

          

   

            4.Выбор теплообменника

Для того чтобы  по действующим нормалям выбрать один из теплообменных аппаратов типа “труба в трубе” следует ориентировочно определить необходимую поверхность теплообмена.

Примем на основании  практических  данных коэффициент  теплопередачи в теплообменнике =290Вт/(м К) . Тогда предполагаемая поверхность теплообмена определится по формуле:

По нормали  ВНИИНефтемаша Н 382-56[43,с.215] выбираем теплообменник “труба в трубе  ” ТТР7-2 с поверхностью теплообмена  по наружному диаметру внутренней трубы (без ребер) 30м .

Чтобы обеспечить предварительно найденную поверхность  теплообмена 57м ,очевидно, следует установить один аппарат.

Техническая характеристика теплообменника ТТР7-2: диаметр внутренних труб  48х4 мм; диаметр наружных труб 89х5мм; допускаемая максимальная температура  в трубном пространстве – не более 723К; в межтрубном пространстве- не более 473 К.

Учитывая допускаемые  температуры потоков, направим по внутренним трубам гидроочищенное дизельное топливо, а по межтрубному пространству- гидрогенизат.

Схема теплообменного аппарата (одной секций) показана (на рис. 2.1)

                             5.Физические параметры теплоносителей  при их средних                  

          температурах.

Гидроочищенное  дизельное топливо. Средняя температура:

.

Коэффициент теплопроводности [13]:

Теплоемкость  [13]:

Относительная плотность:

Кинематическая  вязкость по формуле Гросса [13]:

 

где n- коэффициент.

В нашем случае:

 

 

Решив формулу  относительно n при известных и получим:

Тогда кинематическая вязкость для гидроочищенного дизельного топлива при 423К определится из уравнения :

 

откуда 

Гидрогенизат . Средняя температура:

Расчеты физических параметров сделаны по приведенным выше формулам: коэффициент теплопроводности Вт/(м К); теплоемкость ; относительная плотность:

Кинематическая  вязкость определена аналогично предыдущему  расчету:

.

                     6.Коэффициент теплоотдачи.

А) коэффициент  теплоотдачи  от дистиллята дизельного топлива к внутренней поверхности малой трубы.

 Скорость  потока дизельного топлива (в м/с):

 

Здесь - плотность дистиллята дизельного топлива при

  - площадь поперечного сечения всех труб  в одном ходу  аппарата:

где - внутренний диаметр  внутренней трубы;

-число  труб в одном ходу [43,с215].

Тогда 

Критерий Рейнольдса:

Следовательно режим движения турбулентный, поэтому  величину                  [в Вт/     ( К)]  рассчитываем  по формуле [45;с89]:

Критерий Прандтля:

Предварительный расчет показывает, что отношение

Тогда Вт/( )

Б) Коэффициент  теплоотдачи  гладкой наружной поверхности малой трубы к гидрогенизату.

Гидрогенизат  движется в межтрубном пространстве кольцевого сечения, площадь в ( ) которого для одного хода подсчитывается по формуле:

где  м- внутренний диаметр наружной трубы; м- наружный диаметр внутренней трубы.

Тогда

Скорость потока гидрогенизата:

Эквивалентный диаметр кольцевого сечения:

Критерий Re:

Режим движения турбулентный, поэтому величину [в Вт/ ] определяем по формуле [45,с.89]:

Критерий Прандтля:

Принимая по изложенным выше соображениям значение сомножителя  найдем:

Вт/( )

В)Коэффициент  теплоотдачи  от оребренной наружной поверхности малой трубы к гидрогенизату.

Расчет  [в Вт/( )] ведем по формуле [5,с. 554]:

где  h- высота ребра ,м; β-характеристика эффективности прямых продольных ребер ,δ-толщина ребра, м; S- шаг ребер по окружности трубы, м.

Для принятых оребренных труб h=0,013м и δ=0,001м.

Значение β  определяется из выражения:

 

Здесь th(mh)- гиперболический тангенс произведения mh, определяемый по таблице [45,с 380] величина m рассчитывается по формуле:

в который  - коэффициент теплопроводности материала ребер, равный в нашем случае 46,5 Вт/(м К).Находим значение β:

Во многих случаях  значения β можно брать из таблиц [46,с 564]Шаг ребер по окружности трубы определим по формуле:

где n=20- число прямых продольных ребер.

Тогда:

Коэффициент теплоотдачи: Вт/( )

Как видно, коэффициент  теплоотдачи от оребренной поверхности к гидрогенизату более чем  2 раза выше коэффициента теплоотдачи от гладкой поверхности к гидрогенизату.

Хоблер [46,с 565] считает, что если 5,то применение ребристой поверхности целесообразно. В нашем случае: 5.

                  7.Коэффициент теплопередачи.а) При отсутствии оребрения и чистых поверхностях труб:

Вт/( )

б) При отсутствии и загрязненных поверхностях труб:

Согласно литературным данным [5,с. 558],принимаем тепловые сопротивление  загрязнений со стороны гидроочищенного  дизельного топлива  Вт

 со стороны  гидрогенизата   Вт

тогда 

  Вт/( )

в)При оребрении  наружной поверхности внутренней трубы  и отсутствии загрязнения.Коэффициент  теплопередачи, отнесенный к гладкой  поверхности, определим  по формуле [45,с.196]