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 ⁰С. Конечная температура ацетона, по условию задания, равной 36 ⁰С. Вода подается в теплообменник с начальной температурой t_н2 = 17 ⁰С. Конечная температура равна t_н2 = 27 ⁰С.

- средняя температура воды:

⁰С

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

29⁰С 19⁰С

Т.к. , используется формула:

⁰С

Расчет - температурного коэффициента:

где

 при , ,

 тогда ,

тогда⁰С

- среднюю температуру исходного вещества:

⁰С

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:

T₁ = / 25     30      40      50      55/ ⁰С

Данным температурам соответствуют следующие физико-химические показатели исходного вещества:

с_1.1 =2220,7 Дж/(кг К) – теплоемкость при t_ст =25 ⁰C;

с_1.2 = 2258,41 Дж/(кг К) – теплоемкость при t_ст =30 ⁰C;

с_1.3 = 2283,55 Дж/(кг К) – теплоемкость при t_ст =40 ⁰C;

с_1.4 =2308,69 Дж/(кг К) – теплоемкость при t_ст = 50 ⁰C;

с_1.5 =2342,21 Дж/(кг К) – теплоемкость при t_ст =55 ⁰C;

λ_1.1 =0,169 Вт/(м К)                                 ρ_1.1 = 785,3 кг/м³

λ_1.2 =0,167 Вт/(м К)                                 ρ_1.2 = 779,5 кг/м³

λ_1.3 = 0,165 Вт/(м К)                                ρ_1.3 =768 кг/м³

λ_1.4 =0,163 Вт/(м К)                                 ρ_1.4 = 757 кг/м³

λ_1.5 =0,162 Вт/(м К)                                 ρ_1.5 = 751,5 кг/м³

μ_1.1 = 0,3075 10^-3 Па с

μ_1.2 =0,293 10^-3 Па с

μ_1.3 = 0,268^-3 Па с

μ_1.4 = 0,246 10^-3 Па с

μ_1.5 = 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:

с_2.1 = 4231,9 Дж/(кг К) – теплоемкость воды при t_ст = 24⁰C;

с_2.2 = 4252,9 Дж/(кг К) – теплоемкость воды при t_ст = 29,25⁰C;

с_2.3 = 4273,8 Дж/(кг К) – теплоемкость воды при t_ст = 39,7⁰C;

с_2.4 = 4315,7 Дж/(кг К) – теплоемкость воды при t_ст = 50,2⁰C;

с_2.5 = 4336,7 Дж/(кг К) – теплоемкость воды при t_ст = 55,4⁰C;

λ_2.1 = 0,611 Вт/(м К)    ρ_2.1 = 993,5 кг/м³

λ_2.2 = 0,616 Вт/(м К)    ρ_2.2 = 995кг/м³

λ_2.3 = 0,637 Вт/(м К)    ρ_2.3 = 992 кг/м³

λ_2.4 = 0,645 Вт/(м К)    ρ_2.4 = 987,5 кг/м³

λ_2.5 = 0,651 Вт/(м К)    ρ_2.5 = 985,3 кг/м³

μ_2.1 = 0,9 10^-3 Па с

μ_2.2 = 0,801 10^-3 Па с

μ_2.3 = 0,656 10^-3 Па с

μ_2.4 = 0,549 10^-3 Па с

μ_2.5 = 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 q₁ = q₂, 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 и Pr:

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

* 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.