МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Тюменский государственный университет

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Тюменский государственный университет
Физический факультет
Кафедра механики многофазных систем
Рабочая программа по дисциплине
«Процессы и аппараты охлаждения газа»
для студентов специальности 140401.65 «Техника и физика низких
температур». Направление «Техническая физика»
Тюменский государственный университет
2007 г.
Печатается по решению учебно-методического совета физического
факультета
Рабочая программа по дисциплине
«Процессы и аппараты охлаждения газа»
для студентов специальности «Техника и физика низких температур»
Автор программы : к.т.н.,профессор Бахмат Г.В.
Рецензент: д.ф.-м. наук,профессор А.А.Кислицын
Ответственный за выпуск: д.т.н.,профессор А.Б.Шабаров
Краткая аннотация:
Программа составлена в соответствии с учебным планом по специальности
«Техника и физика низких температур». Рекомендована для студентов 4
курса.
Рабочая программа рассмотрена и одобрена на заседании кафедры механики многофазных
систем, Протокол № от
Зав.кафедрой
А.Б.Шабаров
1.Цель и задачи курса
Цель курса- дать студентам необходимые знания, умения и навыки по
вопросам применения аппаратов и технологий, применяемых для охлаждения
газов, для анализа и инженерного расчета процессов в современных
теплообменных и холодильных устройствах.
Задачами курса являются: изучение конструкций наиболее
распространенных теплообменных аппаратов, методов их расчета и
применения совместно с другими технологическими аппаратами и
оборудованием, изучение конструкций и методов расчета холодильных
аппаратов, основанных на различных физических процессах, расчет этих
аппаратов.
В результате изучения курса студент должен знать:
1.Классификацию теплообменных аппаратов, их конструктивные
особенности, особенности эксплуатации различных аппаратов.
2.Физико-математическое описание процессов в теплообменных аппаратах,
методики инженерного расчета аппаратов различного типа и назначения.
3.Виды холодильного оборудования, физические процессы, на которых
основано их действие, оценочные показатели их работы.
4.Устройство и принцип действия аппаратов глубокого охлаждения и
сжижения газов.
5.Устройство и принцип действия аппаратов для регазификации сжиженных
газов, физику этого явления.
Студент должен иметь навыки и умения:
1.Проводить расчет и анализ работы теплообменных аппаратов, производить
подбор необходимого типа аппарата для конкретной области применения и
стыковку работы аппарата с другими звеньями технологической цепочки.
2.Анализировать режим работы аппаратов по объективным показателям и
управлять этими режимами.
3.Производить подбор необходимого холодильного оборудования и расчет
основных параметров его работы.
4.Уметь рассчитывать режимы регазификации и подбирать соответствующее
оборудование.
Студент должен иметь представление:
1.О достоинствах и недостатках различных видов теплообменной
аппаратуры.
2.О методах совершенствования оборудования.
3.О совершенствовании методик расчета процессов охлаждения газов, их
сжижения и обратного процесса регазификации.
4.О вкладе выдающихся ученых и научных коллективов в изучение и
совершенствование конструкций и методов расчета промышленных
теплопередающих и охлаждающих устройств.
2.Тематический план дисциплины
№
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
Тема
Области применения аппаратов охлаждения
газов, физические принципы, лежащие в
основе конструкций аппаратов охлаждения
Теоретические основы расчета
теплообменных аппаратов. Уравнение
теплопередачи и теплового баланса.
Характеристики аппаратов воздушного
охлаждения (АВО), области и особенности
их применения в газовой промышленности
Методика расчета АВО
Пример расчета АВО
Совместная работа АВО и газопровода.
Регулирование режимов работы АВО в
годовом цикле эксплуатации.
Испарители и конденсаторы. Особенности
расчета теплообмена в многофазных средах.
Установки охлаждения с испаряющимся
рабочим телом
Установки охлаждения газа с поршневыми и
осевыми детандерами.Вихревые трубы.
Сжижение газов. Аппараты и технологии.
Получение газогидратов.
Регазификация сжиженных газов, их
использование в технологических
установках.
Транспортировка и хранение охлажденных и
сжиженных газов
Охлаждение и кондиционирование воздуха
Итого
Лек.час. Практ.час.
2
2
2
4
2
2
4
2
2
2
4
2
2
2
2
2
2
2
4
2
2
2
2
36
18
3. Содержание программы курса
Тема 1. Области применения аппаратов охлаждения газов, физические
принципы, лежащие в основе конструкций аппаратов охлаждения.
Охлаждение природного газа при транспортировке для увеличения
пропускной способности газопроводов и уменьшения термических
напряжений металла труб. Охлаждение воздуха в промышленных и бытовых
целях. Глубокое охлаждение и сжижение газов для транспортировки и (или)
использования в качестве хладоагента. Используемые физические принципы
охлаждения: дросселирование потока, применение испаряющихся и
неиспаряющихся теплоносителей в рекуперативных теплообменных
аппаратах, детандерные схемы с процессами глубокого расширения газов.
Тема 2. Теоретические основы расчета теплообменных аппаратов.
Уравнение теплопередачи и теплового баланса.
Конвективный теплообмен, критерии подобия, критериальные уравнения,
коэффициенты теплоотдачи и теплопередачи, водяные эквиваленты
поверхности теплопередачи и теплоносителя.
Тема 3. Характеристики аппаратов воздушного охлаждения (АВО),
области и особенности их применения в газовой промышленности.
Аппараты объемные и поверхностные, регенераторы и рекуператоры, типы
поверхностей по наличию или отсутствию оребрения. Схемы течения
теплоносителей в аппаратах. Аппараты кожухотрубчатые и «труба в
трубе».Аппараты воздушного охлаждения горизонтальные, вертикальные и
зигзагообразные.
Коэффициенты оребрения поверхности и теплопередачи, площади
теплопередающих поверхностей и другие геометрические характеристики.
Необходимость применения АВО для охлаждения газа и масла на
компрессорных станциях магистральных газопроводов. Вентиляторы АВО и
их характеристики.
Тема 4. Методика расчета АВО.
Исходные данные, свойства теплоносителей, их расходы и температуры,
среднелогарифмический температурный напор, индексы противоточности
для различных схем течения, последовательность расчета.
Тема 5. Пример расчета АВО.
Задание численных значений температур, расходов и теплофизических
свойств теплоносителей, выбор конструкции и назначения аппарата,
проведение численного расчета.
Тема 6. Совместная работа АВО и газопровода.
Температура газа на выходе из компрессорной станции и ее изменение по
длине газопровода, температура наружного воздуха и ее влияние на прцесс
теплопередачи, влияние расхода газа и температуры грунта на режим работы
АВО. Коэффициент энергетической эффективности АВО. Оценка влияния
температур и расходов теплоносителей на режим работы теплообменника.
Глубина охлаждения. Номограмма совместной работы АВО и газопровода
Тема 7. Испарители и конденсаторы. Особенности расчета теплообмена
в многофазных средах.
Критериальные уравнения теплообмена с учетом фазовых переходов при
испарении и конденсации. Капельная и пленочная конденсация. Механизм
кипения на поверхности и в объеме, кризис кипения. Влияние режима
стекания пленки конденсата и формы пучка туб на процесс конденсации.
Тема 8. Установки охлаждения с испаряющимся рабочим телом.
Принципиальные технологические схемы установок. Термодинамический
анализ влияния выбора хладоагента и характеристик оборудования на
коэффициент холодопроизводительности. Мощность установки и ее расчет.
Тема 9. Установки охлаждения газа с поршневыми и осевыми
детандерами.
Принципиальные схемы установок, Устройство и принцип работы
детандеров, оценка их эффективности, достоинства и недостатки поршневых
и осевых детандеров. Области применения. Эффект Ранка-Хилша,
возможности вихревых труб.
Тема 10. Сжижение газов. Аппараты и технологии.
Свойства сжиженных газов. Термодинамический анализ процессов сжижения
газов. Типы установок, их устройство и основы расчета. Области применения
сжиженных газов.
Тема 11. Получение газогидратов.
Термодинамические условия получения газогидратов. Их образование в
газопроводах, борьба с газогидратными отложениями. Полезное
использование газогидратов, установки и оборудование для их получения,
хранения и транспортировки.
Тема12. Регазификация сжиженных газов, их использование в
технологических установках.
Способы использования регазифицируемого сжиженного природного газа в
технологических установках. Наименьшая и действительная работа, удельная
работа при регазификации. Возможности использования сжиженных газов в
циклах паросиловых установок.
Тема 13. Транспортировка и хранение охлажденных и сжиженных газов.
Виды транспорта (морской, трубопроводный, сухопутный) и их особенности.
Расчет изотермического трубопровода. Расчет термоизоляционного покрытия
резервуаров, возможности подземного хранения.
Тема 14.Охлаждение и кондиционирование воздуха.
Общее устройство систем вентиляции и кондиционирования, показатели их
работы. Требования нормативов по составу воздуха для объектов
обеспечения жизнедеятельности.
4.Темы практических занятий.
1. Теоретические основы расчета теплообменных аппаратов. Уравнение
теплопередачи и теплового баланса.
2. Характеристики аппаратов воздушного охлаждения (АВО), области и
особенности их применения в газовой промышленности
3. Пример расчета АВО
4. Совместная работа АВО и газопровода
5. Испарители и конденсаторы. Особенности расчета теплообмена в
многофазных средах
6. Установки охлаждения с испаряющимся рабочим телом
7. Установки охлаждения газа с поршневыми и осевыми детандерами.
Вихревые трубы.
8.Сжижение газов.
9. Регазификация сжиженных газов, их использование в технологических
установках.
5. Контрольная работа «Анализ работы теплообменного аппарата»
Цель контрольной работы- приобретение навыков расчета и анализа
влияния различных факторов на площадь и коэффициент теплопередачи
теплообменного аппарата.
Задание на контрольную работу выдается каждому студенту
индивидуально. В задании оговаривается тип аппарата, горячий и холодный
теплоносители, их начальные параметры. Студенты рассчитывают аппарат на
заданном режиме работы, а затем производят анализ влияния различных
факторов на коэффициент теплопередачи и площадь аппарата с целью
определить возможные диапазоны отклонения этих факторов при сохранении
работоспособности аппарата.
6. Контрольные вопросы к экзамену
1.Составляющие уравнения теплового баланса теплообменного аппарата
(ТА)
2.Вывод уравнения коэффициента теплопередачи для стенки произвольной
формы
3.Физический смысл членов уравнения теплового баланса ТА
4.Классификация теплообменных аппаратов
5.Конструкции ТА
6.Характеристики АВО
7.Принцип работы АВО, основные параметры, влияющие на эффективность
охлаждения
8.Задание исходных данных для расчета АВО
9.Порядок расчета АВО
10.Совместная работа АВО и газопровода
11.Оптимизация режимов работы АВО в зависимости от режима работы
газопровода
12.Механизм процесса кипения, теплообмен при кипении
13.Механизм процесса конденсации, теплообмен при конденсации
14.Конструкции кожухотрубчатых ТА
15.Методы и границы регулирования режимов работы ТА
16.Принципы подбора ТА и их место в технологических цепочках
17.Методы сжижения газов
18.Методы регазификации газа
19.Устройство и принцип действия турбодетандера
20.Транспорт и хранение сжиженных газов
7.Учебно-методтческое обеспечение дисциплины
7.1 Основная литература
1. Бахмат Г.В.,Еремин Н.В.,Степанов О.А. Аппараты воздушного охлаждения
на компрессорных станциях.-Спб.: Недра,1994.
2.Антонова Е.О.,Бахмат Г.В.,Иванов И.А.,Степанов О.А. Теплообмен при
трубопроводном транспорте нефти и газа.-СПб.:Недра,1999.
3.Бахмат Г.В. и др. Транспорт и хранение нефти и газа в примерах и
задачах:Учебное пособие./Под общ.редак. Ю.Д.Земенкова.:СПб,Недра,2004.
4.Теплотехнические расчеты процессов транспорта и регазификации
природных газов.Справочное пособие/ Загорученко В.А.,Бикчентай Р.Н.,
Вассерман А.А. и др.-М.,Недра, 1980,с.320.
7.2.Дополнительная литература
1.Крюков Н.П. Аппараты воздушного охлаждения.-М.:Химия,1983.
2.Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и
жидкостей.-М.:Наука,1972.
3.Леонтьев А.П., Беев Э.А. Расчеты аппаратов воздушного охлаждения.ТюмГНГУ,2000.
4.Кузнецов А.А., Судаков Е.Н. Расчеты основных процессов и аппаратов.М.:Химия,1983.
5.Степанов О.А. и др. Теплоснабжение на насосных санциях нефтепроводов.М.:Недра,1998.