Расчет и подбор нормализованного теплообменного аппарата

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

(ВолгГТУ)

Кафедра ПАХП

Курсовая работа

на тему:

Расчет и подбор нормализованного теплообменного аппарата

Выполнил: студент

группы ХТ-341

Ошкин Михаил Иванович

Волгоград 2008г.

Содержание

Аннотация

Введение

Общая часть

1. Определение расхода теплоты и расхода воды

2. Приблизительная оценка

Расчет и подбор теплообменных аппаратов

Вариант №1: D = 273мм, n = 37, z =1 и F= 9

Вариант №2: D = 325мм, n = 56, z =2 и F = 13

Расчет нагрузочной характеристики

Заключение

Приложение №1

Приложение №2

Список используемой литературы

Аннотация

В данной семестровой работе рассматривается процесс передачи энергии в форме тепла и на основе расчетных данных осуществляется подбор теплообменного аппарата.

В данном случае рассматривается процесс охлаждения жидкости с заданным расходом.

Исходными материалами являются ацетон и скважинная вода. Вода является охладителем с начальной температурой равной

. Для исключения накипи в межтрубном пространстве конечная температура воды не превышает
, т.е.принята
.

Жидкости подаются в теплообменный аппарат противоточно, при условии, что осуществляется развитое турбулентное течение. Кожух теплообменного аппарата выполнен из материала – сталь, с толщиной 2мм , без учета расчета на прочность. Подбор теплообменного аппарата осуществляется при условии, что поверхность теплообмена не будет превышать 10% . Исходным материалом для расчета поверхности теплообменного аппарата является учебник: К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А. Носков «Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии».

Введение

теплообменный аппарат ацетон

В зависимости от способа передачи тепла различают две основные группы теплообменников:

1) поверхностные теплообменники, в которых перенос тепла между обменивающимися теплом средами происходит через разделяющую их поверхность теплообмена – глухую стенку;

2) теплообменники смешения, в которых тепло передается от одной среды к другой при их непосредственном соприкосновении.

Теплообменники и холодильники могут устанавливаться горизонтально и вертикально, быть одно-, двух-, четырех- и шестиходовыми по трубному пространству. Трубы, кожух и другие элементы конструкции могут быть изготовлены из углеродистой или нержавеющей стали, а трубы холодильников – также и из латуни. Распределительные камеры и крышки холодильников выполняют из углеродистой стали.

Кожухотрубчатые конденсаторы предназначены для конденсации паров в межтрубном пространстве, а также для подогрева жидкостей и газов за счет теплоты конденсации пара. Они могут быть с неподвижной трубчатой решеткой или с температурным компенсатором на кожухе, также вертикальные и горизонтальные. От холодильников они отличаются большим диаметром штуцера для подвода пара в межтрубное пространство.

В кожухотрубчатых испарителях в трубном пространстве кипит жидкость, а в межтрубном пространстве может быть жидкий, газообразный, парообразный, парогазовый или парожидкостной теплоноситель. Эти теплообменники могут быть только вертикальные, с неподвижной трубной решеткой или с температурным компенсатором на кожухе.

В работе используется кожухотрубчатый теплообменник. Кожухотрубчатые теплообменные аппараты могут использоваться в качестве теплообменников, холодильников, конденсаторов и испарителей. Этот теплообменник относится к числу наиболее часто применяемых поверхностных теплообменников. В теплообменнике одна из обменивающихся теплом сред движется внутри труб, а другая – в межтрубном пространстве. Среды обычно направляются противоположно друг другу. При этом нагреваемую среду направляют снизу вверх, а среду, отдающую тепло, - в противоположном направлении. Такое направление движения каждой среды совпадает с направлением, в котором стремится двигаться данная среда под влиянием изменения ее плотности при нагревании или охлаждении.

Конструкции теплообменников должны отличаться простотой, удобством монтажа и ремонта. В ряде случаев конструкция теплообменника должна обеспечивать возможно меньшее загрязнение поверхности теплообмена и быть легко доступной для осмотра и очистки.

Конденсация ацетона водой

Примем следующие индексы:

«1» - для ацетона

«2» - для воды

Общая часть

1. Определим расход теплоты и расход воды на охлаждение ацетона

Примем температуру ацетона на входе в теплообменник равной t н1 = 56 0 С. Конечная температура ацетона, по условию задания, равной 36 0 С . Вода подается в теплообменник с начальной температурой t н2 = 17 0 С. Конечная температура равна t н2 = 27 0 С.

- средняя температура воды:

0 С

Данным условиям соответствуют следующие физико-химические показатели воды:

С2 = 4231,9 Дж/(кг К) – теплоемкость этилацетата (стр. 562, рис. XI, [1]);

λ2 = 0,593 Вт/(м К) – коэф. теплопроводимости (стр. 561, рис. X, [1]);

ρ2 = 998 кг/м3 – плотность этилацетата (стр. 512, т. IV, [1]);

μ2 = 1 10-3 Па с – коэф. динамической вязкости (стр. 516, т. IX, [1]).

- среднюю логарифмическую разность температур:

56→36

27←17

290 С
190 С

Т.к.

, используется формула:


0 С

Расчет

- температурного коэффициента:

где

при
,
,

тогда
,

тогда

0 С

- среднюю температуру исходного вещества:

0 С

Данным условиям соответствуют следующие физико-химические показатели ацетона:

с1 = 2304,5 Дж/(кг К) – теплоемкость этилацетата (стр. 562, рис. XI, [1]);

λ1 = 0,163 Вт/(м К) – коэф. теплопроводимости (стр. 561, рис. X, [1]);

ρ1 = 762,5 кг/м3 – плотность этилацетата (стр. 512, т. IV, [1]);

μ1 = 0,257 10-3 Па с – коэф. динамической вязкости (стр. 516, т. IX, [1]).

Определим расход исходного вещества

:

С учетом потерь теплоты в размере 5% , тепловая нагрузка составит

:

Расход воды составит

:

Объемные расходы исходного вещества и воды

:

0,00546

0,00477

2. Наметим варианты теплообменных аппаратов

Для этого определим ориентировочное значение площади поверхности теплообмена, принимая

(стр. 47, т. 2.1, [2])
:

Для более интенсивного теплообмена необходим аппарат с турбулентным режимом течения теплоносителей. Направим в трубное пространство воду, а в межтрубное пространство – ацетон. Также для наиболее эффективного теплообмена необходимо, чтобы трубы в аппарате располагались в шахматном порядке.

В теплообменниках с диаметром труб

по ГОСТу 15120-79 скорость течения исходного вещества при
должна быть более
:

0,525

При этом число труб в аппарате обеспечивающих объемный расход исходного вещества при турбулентном режиме течения:

31,1=31 шт.

Расчет и подбор теплообменных аппаратов

Вариант №1:

D = 273 мм, n =37 , z =1 и F =9 м2 :

Определим расчетное значение площади поверхности теплообмена и рассчитаем запас поверхности теплообмена у теплообменного аппарата данного типа.

Размер стрелки сегмента:

мм

Расстояние между перегородками:

мм

Где

Определим скорость и критерий Рейнольдса для исходного вещества

:

36847

Для воды:

Определим коэффициенты теплоотдачи:

- для воды:

Теплоотдача течении в прямых трубах и каналах (

), критерий Нуссельта рассчитывается по формуле (см. стр. 152, (4.17), [1])

ε l = 1 – поправочный коэффициент, учитывающий влияние на коэффициент теплоотдачи отношения длины трубы к ее диаметру.

Откуда

Рассчитаем критерий Прандтля:

Тогда по формуле:

62,78

Принимаем значение

= 1.

Коэффициент теплоотдачи

:

1773

- для ацетона:

Рассчитаем критерий Прандтля:

3,633

Приняв

.

Коэффициент теплоотдачи

:

1299

Применительно к кожухотрубчатым теплообменникам с поперечными перегородками в формуле принимают коэффициент

, учитывая, что теплоноситель в межтрубном лишь часть пути движется поперек труб и при угле атаки меньшем 900 .

Примем тепловую проводимость загрязнений стенки со стороны воды равной

(табл. 2.2, [2]), коэффициент теплопроводимости стали равной
(табл. XXVIII, [1]), тепловую проводимость загрязнений стенки со стороны исходного вещества равной
(табл. 2.2, [2]).

Тогда

Коэффициент теплоотдачи рассчитаем по формуле:

Поверхностная плотность теплового потока

:

Расчетная площадь поверхности теплообмена составит

:

14,5

Запас поверхности составляет при этом:

Запас поверхности теплообмена данного аппарата не удовлетворяет условию. По аналогичной схеме рассчитаем другой вариант.

Вариант №2

D =325 мм, n =56 , z =2 и F = 13 :

Определим скорости и критерии Рейнольдса:

- для исходного вещества:

- для воды:

Определим коэффициенты теплоотдачи:

- для ацетона:

- для воды:

Коэффициент теплопередачи:

Поверхностная плотность теплового потока:

Расчетная площадь поверхности теплообмена:

Запас поверхности составляет при этом:

Запас поверхности теплообмена данного аппарата удовлетворяет условию.

Расчет нагрузочной характеристики

Примем следующий интервал температур стенки со стороны горячего теплоносителя:

T 1 = / 25 30 40 50 55/ 0 С

Данным температурам соответствуют следующие физико-химические показатели исходного вещества:

с1.1 =2220,7 Дж/(кг К) – теплоемкость при t ст =25 0 C ;

с1.2 = 2258,41 Дж/(кг К) – теплоемкость при t ст =30 0 C;

с1.3 = 2283,55 Дж/(кг К) – теплоемкость при t ст =40 0 C;

с1.4 =2308,69 Дж/(кг К) – теплоемкость при t ст = 50 0 C;

с1.5 =2342,21 Дж/(кг К) – теплоемкость при t ст =55 0 C;

λ1.1 =0,169 Вт/(м К) ρ1.1 = 785,3 кг/м3

λ1.2 =0,167 Вт/(м К) ρ1.2 = 779,5 кг/м3

λ1.3 = 0,165 Вт/(м К) ρ1.3 =768 кг/м3

λ1.4 =0,163 Вт/(м К) ρ1.4 = 757 кг/м3

λ1.5 =0,162 Вт/(м К) ρ1.5 = 751,5 кг/м3

μ1.1 = 0,3075 10-3 Па с

μ1.2 =0,293 10-3 Па с

μ1.3 = 0,268-3 Па с

μ1.4 = 0,246 10-3 Па с

μ1.5 = 0,476 10-3 Па с

Скорость исходного вещества равна:

Критерии Рейнольдса и Прандтля:

24209,73

26077,6

28002,85

14366,9

3,96

3,71

3,48

6,88

Значение Nu рассчитываем по формуле:

166,6

170

145,54

Коэффициент теплоотдачи рассчитаем по формуле:

1090

1100

1108

943,1

Плотность теплового потока

6597,4

-4433,7

-8487,8

Определим температуру стенки со стороны холодного теплоносителя – воды:

Данным температурам соответствуют следующие физико-химические показатели воды:

с2.1 = 4231,9 Дж/(кг К) – теплоемкость воды при t ст = 240 C ;

с2.2 = 4252,9 Дж/(кг К) – теплоемкость воды при t ст = 29,250 C;

с2.3 = 4273,8 Дж/(кг К) – теплоемкость воды при t ст = 39,70 C;

с2.4 = 4315,7 Дж/(кг К) – теплоемкость воды при t ст = 50,20 C;

с2.5 = 4336,7 Дж/(кг К) – теплоемкость воды при t ст = 55,40 C;

λ2.1 = 0,611 Вт/(м К) ρ2.1 = 993,5 кг/м3

λ2.2 = 0,616 Вт/(м К) ρ2.2 = 995кг/м3

λ2.3 = 0,637 Вт/(м К) ρ2.3 = 992 кг/м3

λ2.4 = 0,645 Вт/(м К) ρ2.4 = 987,5 кг/м3

λ2.5 = 0,651 Вт/(м К) ρ2.5 = 985,3 кг/м3

μ2.1 = 0,9 10-3 Па с

μ2.2 = 0,801 10-3 Па с

μ2.3 = 0,656 10-3 Па с

μ2.4 = 0,549 10-3 Па с

μ2.5 = 0,509 10-3 Па с

Скорости воды:

Критерии Рейнольдса и Прандтля считаем аналогично:

Значение Прандтля:

Т.к. все значения Re >10000, то значение Nu :

Коэффициент теплоотдачи:

Плотность теплового потока:

Далее строим графики зависимости

и
. Совмещенные кривые отображают нагрузочную характеристику теплообменного аппарата. Для установившегося процесса теплопередачи должно соблюдаться условие q 1 = q 2 , поэтому точка пересечения кривых определяет действительную плотность теплового потока и действительную температуру на поверхности стенки со стороны горячего теплоносителя. Зная эту температуру можно с помощью критериальных уравнений вычислить значения коэффициентов теплоотдачи и рассчитать величину коэффициента теплопередачи.

Данной температуре (Т=29) соответствуют следующие физико-химические показатели:

- для исходного вещества:

с1 = 2258,4 Дж/(кг К) – теплоемкость (стр. 562, рис. XI, [1]);

λ1 =0,167 Вт/(м К) – коэф. теплопроводимости (стр. 561, рис. X, [1]);

ρ1 =779,5 кг/м3 – плотность (стр. 512, т. IV, [1]);

μ1 = 0,293 10-3 Па с – коэф. динамической вязкости (стр. 516, т. IX, [1]).

- для воды:

с2 = 4232,9 Дж/(кг К) – теплоемкость (стр. 562, рис. XI, [1]);

λ2 =0,616 Вт/(м К) – коэф. теплопроводимости (стр. 561, рис. X, [1]);

ρ2 =995 кг/м3 – плотность (стр. 512, т. IV, [1]);

μ2 = 0,801 10-3 Па с – коэф. динамической вязкости (стр. 516, т. IX, [1]).

Рассчитаем значения Re иPr :

Коэффициент теплоотдачи:

Коэффициент теплопередачи:

Погрешность расчета:

Заключение

Для достижения поставленной цели в данной семестровой работе рассматривались только нормализованные теплообменные аппараты (холодильники), без рассмотрения экономических факторов, таких как: металлоемкость, себестоимость, вес и т.п.

В процессе приблизительной оценки были рассмотрены нормализованные теплообменные аппараты с внутренним диаметром кожуха 400мм , 600мм и 800мм . Запас поверхности теплообмена, у теплообменника с внутренним диаметром кожуха 800мм, не удовлетворял исходным требованиям, и в дальнейшем расчете нагрузочной характеристики не рассматривался. При рассмотрении теплообменных аппаратов с внутренним диаметром кожуха 400мм и 600мм, запас поверхности теплообмена составил, соответственно, 9,7% и 5%.

Далее рассчитывалась нагрузочная характеристика аппаратов. Вследствие чего, теплообменный аппарат, с внутренним диаметром кожуха 600мм , имел высокую ошибку при расчете коэффициента теплопередачи (свыше 10%), что не удовлетворяет условию задачи.

Всем требуемым условиям соответствует двухходовой нормализованный кожухотрубчатый теплообменный аппарат с внутренним диаметром кожуха 400мм , в количестве 2шт .


Приложение №1

Диаметр кожуха внутренний D , мм Число труб n Длина труб l , мм Проходное сечение, м2 n р h , мм
1,0 1,5 2,0 3,0 4,0 6,0 9,0 S т 102 S м 102 S в.п. 102
Поверхность теплообмена F , мм
Одноходовые
159* 13 1,0 1,5 2,0 3,0 - - - 0,5 0,8 0,4 5 100
273* 37 3,0 4,5 6,0 9,0 - - - 1,3 1,1 0,9 7 130
325* 62 - 7,5 10,0 14,5 19,5 - - 2,1 2,9 1,3 9 180
400 111 - - 17 26 35 52 - 3,8 3,1 2,0 11 250
600 257 - - 40 61 81 121 - 8,9 5,3 4,0 17 300
800 465 - - 73 109 146 219 329 16,1 7,9 6,9 23 350
1000 747 - - - 176 235 352 528 25,9 14,3 10,6 29 520
1200 1083 - - - - 340 510 765 37,5 17,9 16,4 35 550
Двухходовые
325* 56 - 6,5 9,0 13,0 17,5 - - 1,0 1,5 1,3 8 180
400 100 - - 16,0 24,0 31,0 47 - 1,7 2,5 2,0 10 250
600 240 - - 38 57 75 113 - 4,2 4,5 4,0 16 300
800 442 - - 69 104 139 208 312 7,7 7,0 6,5 22 350
1000 718 - - 169 226 338 507 12,4 13,0 10,6 28 520
1200 1048 - - 329 494 740 17,9 16,5 16,4 34 550
Четырехходовые
600 206 - - 32 49 65 97 - 1,8 4,5 4,0 14 300
800 404 - - 63 95 127 190 285 3,0 7,0 6,5 20 350
1000 666 - - - 157 209 314 471 5,5 13,0 10,6 26 520
1200 986 - - - - 310 464 697 8,4 16,5 16,4 32 550
Шестиходовые
600 196 - - 31 46 61 91 - 1,1 4,5 3,7 14 300
800 384 - - 60 90 121 181 271 2,2 7,0 7,0 20 350
1000 642 - - - 151 202 302 454 3,6 13,0 10,2 26 520
1200 958 - - - - 301 451 677 5,2 16,5 14,2 32 550

* Наружный диаметр кожуха

n р – число рядов по вертикали для горизонтальных аппаратов – по ГОСТ 15118-79;

h – расстояние между перегородками


Приложение №2

Список используемой литературы

1. К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А. Носков «Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии», 10-ое издание, переработанное и дополненное. Под ред. П.Г. Романтшва. Л.: Химия, 1987.-576С.

2. «Основные процессы и аппараты химической технологии»: Пособие по проектированию / Г.С. Борисов, В.П. Брыков, Ю.И. Дытнерский и др. Под ред. Ю.И. Дытнерского, 2-ое издание, переработанное и дополненное М.: Химия, 1991.-496С.

3. А.Г. Касаткин «Основные процессы и аппараты химической технологии». М.: Химия, 1971.-784С.

Размещено на

СКАЧАТЬ ДОКУМЕНТ

ДОБАВИТЬ КОММЕНТАРИЙ  [можно без регистрации]
перед публикацией все комментарии рассматриваются модератором сайта - спам опубликован не будет

Ваше имя:

Комментарий

Хотите опубликовать свою статью или создать цикл из статей и лекций?
Это очень просто – нужна только регистрация на сайте.

opyright © MirZnanii.com 2015-2018. All rigths reserved.