Российский  государственный  университет нефти  и газа

им. И.М.Губкина 

Кафедра термодинамики и  тепловых двигателей 
 
 
 
 
 

Курсовая  работа: «Тепловой  и гидравлический расчёт теплообменных  аппаратов» 
 
 
 
 

                                                                            
 
 

    
 
 
 
 

                                                                            Выполнил: студент группы РН-05-1

                                                                           Пятаев Т.Р. 

                                                       Проверил:  Шотиди К.Х 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Москва 2007

Оглавление:

• Введение:

• Классификация теплообменных аппаратов

    В процессах нефте- и газопереработки  для обеспечения необходимой температуры в аппаратах требуется подводить и отводить тепло. Для этого на технологических установках широко используются специальные аппараты, называемые теплообменными или теплообменниками.

    В аппаратах, предназначенных для  нагрева или охлаждения, происходит теплообмен между двумя потоками, при этом один из них нагревается, а другой охлаждается. Поэтому вне зависимости от того, что является целевым назначением аппарата: нагрев или охлаждение, их называют теплообменными аппаратами. Кожухотрубный аппарат представляет из себя пучок теплообменных труб, находящихся в цилиндрическом корпусе (кожухе). Один из теплоносителей движется внутри теплообменных труб, а другой омывает поверхность труб. Концы труб закрепляются с помощь вальцовки, сварки или пайки в трубных решетках. В кожух теплообменного аппарата с помощью дистанционных трубок устанавливаются перегородки. Перегородки поддерживают трубы от провисания и организуют поток теплоносителя в межтрубном пространстве, интенсифицируя теплообмен. К кожуху теплообменного аппарата привариваются штуцеры для входа и выхода теплоносителя из межтрубного пространства.

    Применительно к нефтегазоперерабатывающей промышленности теплообменные аппараты классифицируются по способу передачи тепла и назначению.

В зависимости от способа передачи тепла аппараты делятся на следующие группы:

• Поверхностные теплообменные аппараты, в которых передача тепла между теплообменивающимися средами осуществляется через поверхность, разделяющую эти среды.
• Аппараты смешения, в которых передача тепла между теплообменивающимися средами происходит при их непосредственном контакте.

В зависимости от назначения аппараты делятся  на следующие группы.

• Теплообменники - в них один поток нагревается за счет использования тепла другого, получаемого в технологическом процессе и подлежащего в дальнейшем охлаждению.
• Нагреватели, испарители, кипятильники - в них нагрев или частичное испарение осуществляется за счет использования высокотемпературных потоков нефтепродуктов или специальных теплоносителей (водяной пар, масло и др.).
• Холодильники и конденсаторы - они предназначены для охлаждения потока или конденсации паров с использованием специального охлаждающего агента (вода, воздух, испаряющийся аммиак, пропан и др.).
• Кристаллизаторы предназначены для охлаждения соответствующих жидких потоков до температур, обеспечивающих образование кристаллов некоторых составляющих смесь веществ. В качестве охлаждающего агента используются вода или специальные хладагенты в виде охлажденных рассолов, испаряющихся аммиака, пропана и др.

Поверхностные теплообменные аппараты классифицируются в  зависимости от их конструкции. К их числу относятся  следующие:

• Кожухотрубчатые теплообменные аппараты с неподвижными трубными решетками (рис. 1).

Рис. 1. Кожухотрубчатый  теплообменник с неподвижными трубными решетками:

1 - распределительная камера; 2 - кожух; 5 - теплообменная труба; 4 - поперечная перегородка; 5 - трубная решетка; б - крышка кожуха; 7 - опора 

   В зависимости от числа перегородок  в распределительной камере кожухотрубчатые теплообменные аппараты делятся на:

• одно-, двух- и многоходовые в трубном пространстве;
• аппараты   многоходовые    в   межтрубном    пространстве    с    продольными 
  перегородками;
• аппараты    с    поперечными    перегородками    сегментными,    секторными, кольцевыми и др.

   Теплообменники  этого типа применяют при разнице  температур теплообменивающихся сред, проходящих через трубки и межтрубное пространство, не более 50° и при  сравнительно небольшой длине аппарата.

Достоинством  аппаратов этого типа является простота конструкции и, следовательно, меньшая стоимость.

   В зависимости от расположения теплообменных  труб различают теплообменные аппараты горизонтального и вертикального  типа.

• Кожухотрубчатые теплообменные аппараты с плавающей головкой (с подвижной трубной решеткой) являются наиболее распространенным типом поверхностных аппаратов (рис.2). Подвижная трубная решетка позволяет трубному пучку свободно перемещаться независимо от корпуса.

Рис. 2. Кожухотрубчатый  теплообменник с  плавающей головкой:

1 - крышка распределительной камеры; 2 - распределительная камера; 3 - неподвижная трубная решетка; 4 - кожух; 5 - теплообменная труба; 6 - поперечная перегородка; 7 - подвижная трубная решетка;

8 - крышка кожуха; 9 - крышка плавающей головки; 10 - опора; 11 - катковая опора трубчатого пучка 

По кожуху (межтрубному пространству) аппараты с плавающей головкой чаще всего  выполняют одноходовыми. В аппаратах  с двумя ходами по корпусу устанавливают  продольную перегородку, что обеспечивает противоток потоков.

• Кожухотрубчатые теплообменные аппараты с температурным компенсатором. В этих аппаратах для частичной компенсации температурных напряжений используют специальные гибкие элементы (расширители, компенсаторы), расположенные на корпусе. Вертикальный кожухотрубчатый испаритель с неподвижными трубными решетками (рис. 3) отличается установкой между двумя частями кожуха 4 линзового компенсатора 3.

 

Рис. 3. Вертикальный кожухотрубчатый  испаритель с неподвижными трубными решетками  и температурным  компенсатором на корпусе:

1 - распределительная камера; 2 -трубные решетки; 3 - компенсатор; 4 -кожух; 5 - опора; 6- теплообменная труба; 7 - поперечная «сплошная» перегородка; 9 - крышка. Потоки: I -испаряющаяся среда; II - конденсат; III - парожидкостная смесь; IV - водяной пар. 

В аппаратах подобного типа используют одно- и многоэлементные линзовые компенсаторы

• Кожухотрубчатые теплообменники с U-образными трубками (см. рис. 4) имеют одну трубную решетку, в которую ввальцованы оба конца U-образных трубок, что обеспечивает свободное удлинение трубок при изменении их температуры. Преимущество теплообменников с U-образными трубками - отсутствие разъемного соединения внутри кожуха, что позволяет успешно применять их при повышенных давлениях. Недостатком таких аппаратов является трудность чистки внутренней и наружной поверхности труб, вследствие которой они используются преимущественно для чистых продуктов.

Рис. 4. Кожухотрубчатый  теплообменник с U-образными  трубками:

1 - распределительная камера; 2 - трубная решетка; 3 - кожух; 4 - теплообменная труба; 5 - поперечная перегородка; 6 - крышка кожуха; 7 - опора; 8 - катковая опора трубчатого пучка 
 
 

• Кожухотрубчатые теплообменные аппараты с двойными трубками. В таких аппаратах имеются две трубные решетки, размещенные с одной стороны аппарата. В одной трубной решетке развальцованы трубы меньшего диаметра, верхние концы которых открыты, в другой трубы большего диаметра, нижние концы которых заглушены. Такая конструкция обеспечивает      независимое удлинение труб.
• Кожухотрубчатые теплообменные аппараты с витыми трубками используют в нефтегазопереработке для теплообмена между средами, одна из которых находится под высоким давлением.

   Эффективность кожухотрубчатых теплообменных  аппаратов повышается с увеличением  скорости движения теплообменивающихся  потоков и степени их турбулентности. Для повышения скорости движения потоков в межтрубном пространстве и обтекаемости поверхности теплообмена, создания большей турбулентности потоков и организации движения теплоносителя в направлении перпендикулярном к оси труб, в кожухотрубчатых теплообменных аппаратах устанавливают специальные поперечные перегородки. Они выполняют также роль опор трубчатого пучка, фиксируют трубы на заданном расстоянии одна от другой и уменьшают вибрацию труб.

   На  рис. 5 показаны поперечные перегородки разных типов. Наибольшее распространение получили сегментные перегородки (см. рис. 5, а). Высота вырезаемого сегмента равна примерно 1/3 диаметра аппарата, а расстояние между перегородками - около 0,5 диаметра аппарата. Поперечные перегородки с секторным вырезом (см. рис. 5, б) оснащены дополнительной продольной перегородкой, равной по высоте половине диаметра аппарата. Секторный вырез, по площади равный четверти сечения аппарата, располагают в соседних перегородках в шахматном порядке. При этом теплоноситель в межтрубном пространстве совершает вращательное движение то по часовой стрелке, то против нее.

Рис 5. Поперечные перегородки кожухотрубчатых аппаратов:

 а-с  сегментным вырезом; б- с секторным  вырезом; в - кольцевые; г - с  щелевым вырезом; д - «сплошные» 

     Аппараты  со «сплошными» перегородками (см. рис. 5, д) используют обычно для чистых жидкостей. В этом случае жидкость протекает по кольцевому зазору (около 1,5 мм) между трубой и перегородкой,

   В зависимости от характера  направления потоков теплообменные аппараты делятся на прямоточные, противоточные, смешанного и перекрестного тока.

• Теплообменные аппараты типа «труба в трубе» по конструкции делятся на однопоточные (неразборные и разборные) и многопоточные.

Теплообменный аппарат типа «труба в трубе» (рис. 6)

Во многих случаях аппараты типа «труба в трубе» работают с более высокими тепловыми  показателями, чем кожухотрубчатые  теплообменники.

     В теплобменных аппаратах разборной  конструкции внутренние трубы в  ряде случаев с наружной поверхности выполняются с оребрением, позволяющим в 4-5 раз увеличить их поверхность теплообмена. Оребрение внутренних труб используют, как правило, в тех случаях, когда со стороны одной из теплообменивающихся сред трудно обеспечить высокий коэффициент теплоотдачи (движется газ, вязкая жидкость, поток имеет ламинарный характер и т.п.).

Рис. 7. Разборный многопоточный теплообменный аппарат типа «труба в трубе»:

1 - первая распределительная камера; 2 - решетка теплообменных труб; 3 - вторая распределительная камера; 4 - решетка кожуховых труб; 5 - опора; 6 - теплообменная труба; 7 - кожуховая труба;