Расчет и подбор нормализованного теплообменного аппарата

Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

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 ,

тогда0 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