Dimensionarea Unui Schimbator de Caldura Cu Fascicul Tubular in Manta [PDF]

Zitiervorschau

Universitatea : “Petrol si Gaze” Ploieşti Facultatea : Tehnologia Petrolului si Petrochimie Specializarea : Informatica Industriala Catedra : Inginerie Chimica si Petrochimica Disciplina : Procese transfer caldura

PROIECT PROCESE TRANSFER CALDURA

-Ploiesti 2008-

Catedra : Inginerie Chimica si Petrochimica

DIMENSIONAREA UNUI SCHIMBATOR DE CALDURA CU FASCICUL TUBULAR IN MANTA

Coordonator Sef lucrari : Loredana Dobre

-Ploiesti 2008-

Student

CUPRINS

Capitolul 1……….Generalitati privind schimbatoarele de caldura Capitolul 2….Schimbator de caldura cu fascicul tubular in manta Capitolul 3…............................................................ Tema proiect Capitolul 4……………Dimensionarea schimbatorului de caldura

Bibliografie 1. Dumitru Dobrinescu - Echipamente de transfer termic si utilaje specifice. 2. G. Suciu, C. Tunescu - Ingineria prelucrarii hidrocarburilor vol 1

Date de proiectare t r1 = 25 0 C → temperatur a apei la intrare t r 2 = 40 0 C → temperatur a apei la iesire mc = 30t / h = 8,33kg / s → debitul masic al produsului petrolier t c1 = 120 0 C → temperatur a produsului petrolier la intrare t c 2 = 50 0 C → temperatur a produsului petrolier la iesire d 420 = 0,860 → densitatea relativa a produsului petrolier K = 11 → factorul de caracteriz are d e = 25mm → diametru exterior tub Di = 0,7 m → diametru interior manta pas S = 32mm →

Rezultate 15 d15 = 0,864

Ae = 110 m 2 Q = 1,195 ×10 6 W j C pc = 2050 kg ×0 C j C pr = 4178 kg ×0 C Ae ( recalc ) = 109 m 2 W m ×0 C W k d (recalc ) = 254 2 0 m × C W α c = 934,437 m ×0 C W α r = 5310 2 0 m × C W k ed = 279 2 o m × C Re ( apa ) = 29434 ,95 k d ( pres ) = 250

2

Re ( petrol ) = 25326 ,5 Kg s 0 ∆ t = 43,12 C mr = 19,068 S = 10%

Capitolul 1 - Generalitati privind schimbatoarele de caldura

Schimbatorul de caldura este un sistem tehnic constituit din elemente rigide in care are loc transferul caldurii de la un fluid cu o temperatura mai ridicata (agent termic primar), catre un fluid cu o temp mai coborata (agent termic secundar), in procese de incalzire, racire, condensare, vaporizare sau procese termice complexe. In procesul de schimb de caldura iau parte 2 agenti : un agent cald care cedeaza caldura, si un agent rece care primeste caldura. Industria petrochimica utilizeaza o gama variata de schimb de caldura, dar marea lor majoritate sunt aparate avand delimitate doua spatii pentru circulatia separata a celor 2 agenti in care are loc schimbul de caldura. Clasificarea schimbatoarelor de caldura se poate realiza din mai multe puncte de vedere dintre care 3 fiind mai importante : 1. Clasificarea dupa procesul principal de transfer de caldura avem numeroase clase de aparate : preincalzitoare, racitoare, condensatoare refierbatoare, recuperatoare si regeneratoare. 2. Clasificare dupa modul de contactare al fluidelor putem avea 3 clase de aparate: - Schimbatoare cu contact indirect sau de suprafata : aparate la care cei 2 agenti nu vin in contact direct ei fiind despartiti de o suprafata de schimb de caldura cu care vin in contact permanent sau periodic Daca cele 2 fluide vin in contact permanent cu supraf de schimb de caldura, fluxul termic prin aceasta fiind unidirectional, avem shimbator de caldura de tip recuperativ. Acest tip de aparat este cel mai raspandit putand fii realizat in numeroase variante constructive. Daca agentii termici vin in contact alternativ cu suprafata de transfer de caldura, fluxul termic schimbandu-si periodic directia avem schimbator de caldura de tip regenerativ. Aparatele regenerative pot fi realizate cu suprafata fixa sau rotativa. - Schimbatoare cu contact direct : aparate la care agentii termici nu mai sunt separati de o suprafata amestecandu-se unul cu celalalt.

Aceste pot fi : - aparate fara umplutura : transefrul de caldura se realizeaza la suprafata fluidului pulverizat in picaturi fine sau care curge suvite. (figura 1) - aparate cu umplutura : transeferul trermic apare la suprafata unei pelicule formate pe umplutura schimbatorului (figura 2)

Figura 1

Figura 2

- Schimbatoare de caldura cu fluid intermediar stationar : sunt de conceptie mai recenta, se utilizeaza in cazuri practice caracteristice si prezinta unele avantaje specifice. Ele se caracterizeaza prin faptul ca transferul de caldura de la fluidul cald la fluidul rece, care sunt in curgere continua prin fierbator, este mijlocit de un fluid intermediar stationat in aparat. 3. Dupa tipul constructiv al aparatului avem : - schimbator de caldura cu schimbator de caldura in manta; - schimbator “tub in tub” – prezinta avantajul de a lucra in contracurent, dar sunt voluminoase si grele, in raport cu aria de transfer. De obicei se rwalizeaza baterii din astfel de elemente, plasate in serie, in paralel sau mixt.

Figura 3

- racitoare cu serpentina scufundata : constau intr-o cada prevazuta cu deversor, prin care circula apa de racire si in care se afla scufundata serpentina prin care curge fluidul cald.

Figura 4 - schimbatoare de caldura cu placi : lucreaza cu presiuni relativ mici pentru ambele fluide si au inceput sa fie utilizate si in industria petrochimica, ele fiind usoare si cu gabarit mic in raport cu aria de transfer.

Figura 5 - racitoare si condensatore cu aer constau intr-un fascicul de tuburi prevazute la exterior cu aripioare transversale circulare, peste care circula impins de ventilatoare aerul atmosferic. - racitoare si condensatoare prin contact direct : constau in coloane de contractoarein contracurent, cu sau fara umplutura, pentru doua fluide nemiscibile (gaz lichid sau lichid-lichid).

Capitolul 2 – Schimbator de caldura cu fascicul tubular in manta

Schimbatoarele de caldura cu fasicul tubular in manta sunt cele mai utilizate tipuri de schimbatoare. Acestea prezinta o arie specifica de transfer de caldura relativ mare si un consum specific de metal relativ redus. Se compun dintr-o manta cilindrica prevazuta la extremitati cu flanse, doua capace prevazute cu flanse spre interior, doua palci tubulare care se fixeaza intre flansele mantalei si a capacelor. Schimbatorul este rigid pentru ca nu permite o dilatare sau contractare independenta a tuburilor. Racordurile pentru fluidul care circula in tuburi (fluid ce circula in paralel prin toate tuburile intr-un singur sens) se afla la capace. Mantaua contine tot doua racorduri fluidul corespunzator circuland longitudional prin spatiul intertubular, in contracurent cu fluidul din tuburi. In partea suprrioara a schimbatorului, atat la manta cat si la capace, exista dopuri cu filet pentru evacuarea initiala a aerului. La o condensare vaporii intra in partea superioara, iar condensul este evacuat la poartea inferioara. Pentru fluidele fara transformare de faza, intrarea poate fi jos sau sus iar iesire fie pe partea opusa fie pe aceeasi parte. Cresterea coeficientului de convectie in interiorul tuburilor se poate obtine prin cresterea vitezei fluidului. Pentru aceasta se introduc in camerele de distributie, sicane, pentru a obtine doua sau mai multe treceri prin tuburi. Pentru cresterea vitezei fluidului din manta putrem utiliza atat sicane longitudionale cat si sicane transversale segment de cerc. Sicanele segment de cerc lasa libere ferestre orizontale, alternativ sus si jos. Pentru a reduce socurile datorate intrarii fluidului in manta se utilizeaza o placa deflectoare. In figura 6 este prezentata schema unui schimbator de caldura cu fascicul tubular in manta

Figura 6 1-Flansa plata a camerei de distributie 2-Camera de distributie 3-Manta exterioara schimbator 4-Compensatoare de dilatatie 5- Manometru presiune manta 6-Camera de intoarcere 7- Manom. presiune manta 15-Sist. tehn. de conducte

8- Stut intrare agent 2 9-Perete separator 10-Stut intrare agent 11-Stut iesire agent 12-Suporti de rezemare 13-Fundatie 14-Sicane

Capitolul 3 – Tema proiect

Intr-un schimbator de caldura se raceste un debit de produs petrolier : mc = 30t\h de la temperatura de 120 grade C pana la temperatura de 50 grade C. Racirea se face cu apa, avand temperatura la intrare in schimbator de 25 grade C iar la iesire de 40 grade C. Sa se dimensioneze schimbatorul de caldura stiind ca densitatea relativa a produsului petrolier d 420 = 0,860 si factorul de caracterizare K = 11. Debitele celor doua fluide fiind relativ mari, alegem un schimbator de caldura de tip tubular cu suprafata de racire formata dintr-un fascicul de tevi montat in interirorul unei mantale cilindrice. La acest tip de aparat, prin interiorul tevilor se dirijeaza fluidul care contine o cantitate mai mare de impuritati pentru a se asigura o curatire mai usoara a depunerilor care se formeaza pe tevi. Daca posibilitatea de fornare a depunerilor este aceeasi pentru ambele fluide si posibilitatea de curatire nu mai constituie un criteriu, se prefera sa se dirijeze prin intermediul tevilor, fluidul al carui debit e mai mic (sectiunea din interiorul tevilor este mai mica decat sectiunea de curgere dintre tevi si manta). Fluidul rece circula prin interiroul tevilor in doua treceri iar fluidul cald printre tevi paralel cu axul acestora.

Capitolul 4 – Dimensionarea schimbatorului de caldura

Etape :

1. Bilantul termic pe aparatul de schimb de caldura Qc = Q p

Calculam densitatea

d1515

in functie de

d 420 .

d1515 = 0,9952 × d 420 + 0,00806 d1515 = 0,9952 × 0,860 + 0,00806 = 0,864

Temperatura medie pentru : - produsul petrolier : tc =

t c1 + t c 2 120 + 50 = = 85 0 C 2 2

- pentru apa : tr =

t r1 + t r 2 25 + 40 = = 32,5 0 C 2 2

Calculam caldura specifica pentru : - produsul petrolier : c pc = [(2,964 − 1,332 × d1515 ) + (0,006148 − 0,002308 × d1515 ) × t ] × (0,0538 × K + 0,3544) c pc = [(2,964 − 1,332 × 0,864) + (0,006148 − 0,002308 × 0,864) × 85] × (0,0538 × 11 + 0,3544) =

- pentru apa : c pr = 4178

j kg × 0 C

2050 j kg × 0 C

Calculam fluxul termic pentru produsul petrolier : Qc = mc × c pc × ∆t c Qc = 8,33 × 2050 × (120 − 50) = 1,195 × 10 6 W

Din ecuatia de bilant termic rezulta debitul masic de apa : Qc = Q p = mr × c pr × ∆t r mr =

Qc c pr × ∆ tr

=

1,195 × 10 6

j s

j 4178 × 15 0 C 0 kg × C

= 19,068

Kg s

2. Stabilirea geometriei schimbatorului de caldura Calculam diferenta medie de temperatura dintre fluide unde : ∆t =

M ∆t + ∆t m + M ln M ∆t M + ∆t m − M

tr2

M = ∆t r2 + ∆tc2 = 152 + 70 2 = 71,58

tr1

tc2

∆t M = t c1 − t r 2 = 120 − 40 = 80 0 C ∆t m = t c 2 − t r1 = 50 − 25 = 25 0 C ∆t =

71,58 71,58 71,58 = = = 43,12 0 C 80 + 25 + 71,58 176,58 ln 5,28 ln ln 80 + 25 − 71,58 33,44

Presupunem coeficientul global de transfer de cadura k d = 250

W m ×0 C 2

Aria de transfer de caldura necesara :

tc1

Q 1,195 × 10 6 Ae = = = 110m 2 k d × ∆t 250 × 43,12 Ae = π × d e × L × nt A

110

e Presupunem L = 5m ⇒ nt = π × d × L = 3,14 × 0,025 × 5 = 280 tuburi e Din tabelul 3.9 (pag. 179 - D.Dobrinescu) alegem schimbatorul de caldura cu nt = 276 tuburi si Di = 0,7m .

Recalcularea ariei si coeficientul global Ae = nt × π × d e × L = 276 × 3,14 × 0,025 × 5 = 109m 2 kd =

Q Ae × ∆t

=

1,195 × 10 6 W = 254 2 0 109 × 43,12 m × C

Calcularea vitezei pentru: - produsul petrolier: ωc =

mc 8,33 m = = 0,681 ρ c × sc 815,28 × 0,015 s

- apa: kg mr m s ωr = = = 0.886 2 2 s kg π × 0.0004m 276 π × di n 993 3 × × ρr × × t 4 4 m 4 np 19.068

3. Verificare coeficientului global de transfer de caldura 3.1 Calculam coeficientului partial de caldura pentru fluidul din interiorul tuburilor ( α r ). La temperatura t r = 32,5 0 C prin interpolare gasim urmatoarele valori pentru apa:

ρ r = 993

kg m3

j kg × 0 C W λ r = 0,615 m ×0 C c pr = 4178

µ r = 6,936 × 10 −4

Re =

Pr =

kg m× s

d i × υ r × ρ r 0,02 ×1,028 × 993 = = 29434,95 µr 6,936 ×10 − 4

c pr × µ r

λr

Re > 5000

=

4178 × 6,936 × 10 −4 = 4,59 0.63

⇒ c = 0,027 ⇒ n = 0,8

N u = 0,027 × 29434,95 0,8 × 4,591 / 3 = 168,586

αr =

N u × λ 168,586 × 0,63 W = = 5310 2 0 di 0,02 m × C

3.2 Calculam coeficientul de transfer de caldura pentru fluidul din exteriorul tuburilor ( α c ) . Densitatea produsului petrolier:   t c − 20 ρ c = 10 3 × d 420 1 − 20 20 2   2290 − 6340 × d 4 + 5965(d 4 )    85 − 20 ρ c = 103 × d 420 1 − 2  2290 − 6340 × 0,86 + 5965 × (0,860)  65 kg   ρ c = 103 × 0,860 1 − = 815,28 3  m  2290 − 5452 + 4411

Calculam conductivitatea termica λc =

0,1172 − 6,33 × 10 −5 × t d1515

0,1172 − 6,33 × 10 −5 × 85 λc = 0,864

λc =

0,1172 − 0,0053 W = 0,129 0,864 m ×0 C

Calculam vascozitatea fractiunilor petroliere x

 101,766  10 −6 × k υc =  − 29 , 263 × e tc + 273 × 15 0 , 525 x  (k × d15 )  15

3

x = e 4, 717+0, 0029254( k×d15 ) = e 7 , 22799 = 1377,45 , 45   10 −6 × 11 1377 101,766 358 υc =  − 29 , 263 × × e  0, 525  (11 × 0,864)  1377,45 2 10 −6 × 11 −6 m υ c = 1,943 × × 46,852 = 0,726 × 10 1377,45 s

µ c = ρ c × υ c = 815,28 × 0,726 × 10 −6 = 591,89 × 10 −6

Pr =

c pc × µ c

d ech =

λc

=

kg m× s

2050 × 591,89 × 10 −6 = 9,40 0,129

4 × At Pu

π × d e2 π × 0,025 2 2 At = S − = 0,032 − = 0,000533m 2 4 4 2

Pu = Lcerc = π × d e = 0,07854m 4 × 0,000533 = 0,027 m 0,07854 D Sc = x × ( S − de ) × i S

d ech =

Presupunem distanta dintre sicane x = 100mm S c = 0,1 × ( 0,032 − 0,025) ×

0,7 = 0,015m 2 0,032

Re =

d ech × ω c × ρ c 0,027 × 0,681 × 815,28 = = 25326,5 µc 591,89 × 10 −6

Re > 5000

⇒ c = 0,351 ⇒ n = 0,55 0 ,14

0 ,14

 µ     ; µ  ≈ 1 N u = c × Ren × Pr1 / 3 ×  µ  µ   p  p N u = 0,351 × 25326,5 0,55 × 9,41 / 3 = 0,351 × 25326,5 0,55 × 9,41 / 3 = 195,578

αc =

N u × λc 195.578 × 0,129 W = = 934,437 d ech 0,027 m ×0 C

Calculul coeficientului global de transfer k ed =

1 d d d 1 de 1 × + Rdi × e + e ln e + Rde + α r di d i 2λ0 d e αc

m 2 ×0 C W 2 0 m × C Rdi = 0,00088 W W λ0 = 45 m ×o C Rde = 0,00035

k ed =

1 W = 279 2 o 1 0,025 0,025 0,025 0,025 1 m × C × + 0,00088 × + ln + 0,00035 + 5310 0,02 0,02 2 × 45 0,02 934,437

4. Verificarea supradimensionarii Q 1.195 × 10 6 = = 99m 2 k ed × ∆ t 279 × 43.12 A − AeNec 109 − 99 S = e Re c = × 100 = 10% AeNec 99 AeNec =