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 ,

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

r />

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