Расчет теплообменного аппарата
Аннотация
Данная работа посвящена расчету теплообменного аппарата.
В пояснительной записке отражены материальные, тепловые, гидравлические
расчеты, руководствуясь которыми можно произвести выбор типа аппарата и его
конструктивные размеры. Также приведены температурная схема процесса,
технологическая схема процесса, конструктивная схема аппарата, эскизы основных
элементов аппарата.
Задание на курсовую работу
Рассчитать теплообменный аппарат по следующим данным:
Тип аппарата: выбрать;
Производительность аппарата:
по нагреваемой среде: 4 т/ч;
а) состав: 10%-ая уксусная кислота;
б) начальная температура: 10оС;
в) конечная температура: 70оС;
г) давление: 1,5 атм.;
по охлаждаемой среде:
а) состав: 90%-ая уксусная кислота;
б) начальная температура: температура кипения;
в) конечная температура: 20оС;
г) давление: 1 атм.
Введение
Курсовая работа посвящается расчету теплообменного аппарата по заданным
параметрам (см. стр. 2).
Курс «Процессы и аппараты химических технологий» является инженерной
дисциплиной, представляющей собой важные раздел теоретических основ химической
технологии. Данный курс освещает начала, которые должны быть синтетически
использованы при разработке наиболее эффективных с технико-экономической точки
зрения процессов производства в любых отраслях химической технологии. Таким
образом, тема данной курсовой работы в рамках курса «Процессы и аппараты
химических технологий» является весьма актуальной для изучения и проектирования
сложных, в том числе химических, процессов химической технологии.
Целью данной работы является подробное изучение процесса теплообмена,
исследование конструкций и особенностей теплообменных аппаратов.
Теплообменные аппараты (теплообменники) применяются для осуществления
теплообмена между двумя теплоносителями с целью нагрева или охлаждения одного
из них. В зависимости от этого теплообменные аппараты называют подогревателями
или холодильниками.
По способу передачи тепла различают следующие типы теплообменных
аппаратов:
поверхностные, в которых оба теплоносителя разделены стенкой, причем
тепло передается через поверхность стенки;
регенеративные, в которых процесс передачи тепла от горячего
теплоносителя к холодному разделяется по времени на два периода и происходит
при попеременном нагревании и охлаждении насадки теплообменника;
смесительные, в которых теплообмен происходит при непосредственном
соприкосновении теплоносителей.
В химической промышленности наибольшее распространение получили
поверхностные теплообменники, отличающиеся разнообразием конструкций, основную
группу которых представляют трубчатые теплообменники, такие как: кожухотрубные,
оросительные, погруженные и "труба в трубе".
Достижение целей поставленных в данной работе осуществляется по средствам
изучения и выбора типа аппарата, согласно исходным данным. Проведения
необходимых материальных, тепловых и конструктивных расчетов, составления
графиков процесса.
. Теоретические основы теплообменного процесса
Тепловые процессы - технологические процессы, которые протекают со
скоростью, обусловленной законами теплопередачи.
Теплообменные аппараты - аппараты, предназначенные для проведения
тепловых процессов.
Теплоносители - тела (среды), котоpые
принимают участие в теплообмене.
Существует три способа переноса тепла: теплопроводность, конвективный
теплообмен и тепловое излучение.
Теплопроводность - явление переноса тепловой энергии непосредственным
контактом между частичками тела.
Конвективный теплообмен - процесс распространения в следствии движения
жидкости или газа.
Естественная (свободная) конвекция обусловлена разностью плотности в
разных точках объема теплоносителя, который возникает вследствие разности
температур в этих точках.
Вынужденная конвекция обусловлена принудительным движением всего объема
теплоносителя.
Тепловое излучение - процесс передачи тепла от одного тела к другому,
распространением электромагнитных волн в пространстве между этими телами.
Теплоотдача - процесс переноса тепла от стенки до теплоносителя или в
обратном направлении.
Теплопередача - процесс передачи тепла от более нагретого менее нагретому
теплоносителю через разделяющую их поверхность или твердую стенку.
При проектировании теплообменных аппаратов тепловой расчет сводится к
определению необходимой поверхности теплообмена F, (м2), по основному уравнению
теплопередачи.
. Тепловые и материальные расчеты
Различают два вида теплотехнических расчетов теплообменников: проектный и
проверочный. Проектный расчет выполняется, когда расходы теплоносителей и их
параметры заданы. Цель проектного расчета - определение площади поверхности
теплообмена и конструктивных размеров выбранного аппарата. С помощью
проверочного расчета выявляют возможность использования имеющихся
теплообменников в условиях заданного процесса и определяют условия,
обеспечивающие оптимальный режим работы аппарата.
По заданным параметрам (см. стр. 2) проводим проектный расчет, который
включает в себя выбор типа и конструкции теплообменного аппарата, тепловой,
конструктивный, гидравлический, механический и технико-экономический расчеты.
Тепловой расчет теплообменника заключается в определении необходимой
площади поверхности теплообмена, которую находят из основного уравнения
теплопередачи:
F=
, (2.1)
где
Q - тепловая нагрузка теплообменного аппарата,
определяемая из теплового баланса;
К
- коэффициент теплопередачи;
∆tср -
средний температурный напор.
Запишем
уравнение теплового баланса в общем виде без учета потерь теплоты в окружающую
среду:
=Q1=Q2 (2.2)
где Q1 - количество теплоты, отданной
горячим теплоносителем, Вт;
Q2 -
количество теплоты, сообщенной холодному теплоносителю, Вт.
Уравнение теплового баланса в общем виде с учетом потерь теплоты в
окружающую среду:
1=Q2+ Qпот. (2.3)
Теплообмен протекает без изменения агрегатного состояния теплоносителей,
тогда:
1=G1·c1·(t1н-t1к), (2.4)
Q2=G2·c2·(t2к-t2н). (2.5)
где G1, G2 - массовые расходы теплоносителей, кг/с;
c1, c2 - удельные массовые теплоемкости
теплоносителей, Дж/(кг·К);
t1н, t1к - начальная и конечная температуры
охлаждаемой среды (90%-ая уксусная кислота), К;
t2н, t2к - начальная и конечная температуры
соответственно, нагреваемой среды (10%-ая уксусная кислота) соответственно, К.
Таким образом, уравнение теплового баланса примет вид:
= G1·c1·(t1н-t1к)= G2·c2·(t2к-t2н) (2.6)
Из уравнения (1.6) найдем расход теплоты на нагрев 10%-ой уксусной
кислоты:
Q = G2·c2·(t2к-t2н)= 1,11 . 3603,5 . (70 - 10) =
240233,3 Вт,
где c2=3603,5 Дж/(кг·К) - средняя удельная
теплоемкость 10%-ой уксусной кислоты (прил. III [3]);
G2=4 т/час=
Объемный
расход 10%-ой уксусной кислоты:
V2 = G2/ρ2 = 1,11/1062 = 0,00104≈0,001 м3/с;
Расход
охлаждаемой 90%-ой уксусной кислоты с учетом 7% потерь теплоты:
1=
(2.7)
1=2430,2
Дж/(кг·К) - средняя удельная теплоемкость 90%-ой уксусной кислоты (прил. III
[3]);
t1н=108,5оС -
температура кипения 90%-ой уксусной кислоты.
G2=
Объемный
расход 90%-ой уксусной кислоты:
V1 = G1/ρ1 = 1,19/1004 = 0,0011≈0,001 м3/с;
ρ1 =1004 - плотность уксусной кислоты при 64,2оС [1, табл. IV].
Для
ориентировочного определения максимальной поверхности теплообмена необходимо
задаться коэффициентом теплопередачи. Согласно табл. 2.1 [2] минимальное
значение этого коэффициента, характеризующее теплообмен между органической
жидкостью (90%-ая уксусной кислоты) и органической жидкостью (10%-ой уксусной
кислоты), составляет Kмин = 300 Вт/(м2·К), максимальное значение коэффициента
теплопередачи составляет Kмакс = 800 Вт/(м2·К)
, 
Средняя
разность температур:
(2.8)
Температурная
схема (см. рис. I приложение):
,5
→ 20
←
10
∆tб =
38,5 ∆tм = 10
Средняя
температура 90%-ой уксусной кислоты:
t1ср = (t1н +
t1к)/2 = (108,5+20)/2 = 64,25 ºС
Средняя
температура 10%-ой уксусной кислоты:
t2ср = t1ср
- Dtcр =
64,25 - 21,16 = 43,1 °С.
3. Выбор типа и конструкции теплообменного аппарата
На основании ориентировочной оценки площади поверхности теплообмена и
коэффициента теплопередачи подбираем вариант конструкции теплообменника и
проводим уточненный расчет. Сопоставление ориентировочных и полученных при
уточненном расчете значении площади поверхности теплообмена и коэффициента
теплопередачи даст ответ на вопрос о пригодности выбранной конструкции
теплообменника. При значительных отклонениях расчетных значений от выбранных
следует перейти к другому варианту конструкции теплообменника и повторить
уточненный расчет.
На основании условий теплообмена, полученных ориентировочных расчетов
площади поверхности теплообмена и коэффициента теплопередачи, подробного
изучения типов теплообменных аппаратов (с. 54 - 64 [2]) назначаем теплообменный
аппарат типа «труба в трубе». Среды движутся в противотоке. В кольцевой зазор
между трубами поступает охлаждаемая среда - 90%-ая уксусная кислота при
атмосферном давлении, а по внутренней трубе - нагреваемая среда - 10%-ая
уксусная кислота под давление 1,5 атм.
стенка
теплообменник труба гидравлический
. Уточненный расчет
Принимаем, что аппарат изготовленный из труб 38´3,5 (внутренняя труба) и 57´4 (наружная труба) [2c. 61].
Для обеспечения турбулентного течения уксусной кислоты в трубе при Re2 > 10 000 скорость в трубах должна быть больше ω'2:
, (4.1)
где μ2 = 0,82 . 10-3 Па . с - динамический коэффициент вязкости
10%-ой уксусной кислоты при 43,10С [1, табл.IX]. Для расчетов можно выбрать
трубы диаметром 25×3 мм. Тогда внутренний диаметр труб равен: dвн = 38 - 3,5 · 2 = 31 мм.
Число параллельно работающих труб 38 x 3,5 мм, обеспечивающих объемный расход уксусной кислоты при Re2 = 10 000:
(4.2)
Для
обеспечения устойчивого турбулентного режима движения нагреваемой среды
принимаем n` = 3, тогда фактическая скорость раствора будет
равна:
w2 = V2/0,785dвн2n`2r2 = 0,001/0,785×0,0312×3= 0,44 м/с.
Критерий
Рейнольдса для 10%-ой уксусной кислоты:
2
= w2dвнr2/m2 = 0,44×0,031×1062/0,82×10-3 = 17665, (4.3)
режим
движения - турбулентный.
4.1
Коэффициент теплоотдачи от стенки к нагреваемой среде
Критерий Нуссельта:
2 = 0,023×Re20,8×Pr20,43×(Pr2/Pr2ст)0,25 (4.4)
Критерий Прандтля:
2 = с2·m2 /l2 = 3,6×0,82/0,395 = 7,4, (4.5)
l2 = 0,395 Вт/м×К - коэффициент теплопроводности 10%-ой уксусной кислоты при средней
температуре.
Примем в первом приближении (Pr2/Pr2ст)0,25 = 1, тогда
Nu2 =
0,023×176650,8×7,40,43 = 136
a2 = Nu2l2/d2 = 136×0,395/0,031 =1733 Вт/(м2×K)
4.2 Коэффициент
теплоотдачи от охлаждаемой (нагревающей) среды к стенке
Скорость воды в межтрубном пространстве:
1 = G1/[r10,785(Dвн2 -
dн2)n] = (4.6)
= 1,19/1004×0,785×(0,0492 -
0,0382)×3 = 0,52 м/с,
где Dвн = 0,049 м - внутренний диаметр
большой трубы,
dн =
0,038 м - наружный диаметр малой трубы.
Критерий Рейнольдса для 90%-ой уксусной кислоты:
1 = w1dэr1/m1,
где μ1 = 0,68 . 10-3 Па . с - динамический коэффициент вязкости
90%-ой уксусной кислоты при 64,20С [1, табл.IX].,
dэ -
эквивалентный диаметр межтрубного пространства.
dэ = Dвн-dн = 0,049 - 0,038 = 0,011 м
Re1 =
0,52×0,011×1004/0,68×10-3 = 8445, 2320<8445<10000.
Режим движения - переходный.
Критерий Нуссельта:
1 = 0,008×Re10,9×Pr10,43 (4.7)
Критерий Прандтля:
1 = с1·m1 /l1 = 2,43×0,68/0,158 = 10,4, (4.8)
l1 = 0,158 Вт/м×К - коэффициент теплопроводности 90%-ой уксусной кислоты при средней
температуре.
Nu1 =
0,008×84450,9×10,40,43=75.
a1 = Nu1l1/dэ = 75×0,158/0,011 =1077 Вт/(м2×K)
4.3 Тепловое
сопротивление стенки
(4.9)
где
d = 0,004 м - толщина стенки
lcт = 17,5 Вт/(м×К) -
теплопроводность нерж. стали [1c. 529]
r1=r2=1/5800
м×К/Вт - тепловое сопротивление загрязнений [1c.
531]
=
(0,004/17,5) + (1/5800) + (1/5800) = 5,73×10-4 м×К/Вт
Вт/(м2×К)
4.5
Температура стенок
ст = tср+ KDtср/a (4.11)
Со стороны 10%-ой уксусной кислоты:
tст2 =
t2ср+ KDtср/a2= 43,1 + 481×21,16/1733 = 48,9° С,
Prст2=
6,8 при температуре 48,9° С,
значит
a1ут =1733×(7,4/6,8)0,25 =1770 Вт/(м2×К).
Со стороны 90%-ой уксусной кислоты:
tст1 =
t1ср - KDtср/a1 = 64,25 - 481×21,16/1077 = 54,8° С,
.6 Уточненный
расчет коэффициента теплопередачи
Вт/(м2×К)
Проверяем
температуру стенки:
tст1 = t1ср
- KDtср/a1 = 64,25 - 484×21,16/1077 = 54,7° С
tст2 = t2ср
- KDtср/a2 = 43,1+ 484×21,16/1770 = 48,8° С
Полученные значения близки к ранее принятым и дальнейшего уточнения не
требуется
.7 Поверхность
теплообмена
Fмин<F< Fмакс, расчет удовлетворителен.
4.8 Выбор
стандартного аппарата
По ГОСТ 8930-78 [2c. 61]
выбираем стандартные неразборные элементы длиной 6,0 м, для которых поверхность
теплообмена равна 0,72 м2, тогда число элементов в одном ряду составит:
N = F/(nF1) =23,45/(3×0,72) = 10,85 принимаем N = 11.
5.
Гидравлический расчет
5.1 Коэффициент
трения раствора трубах
Скорость среды в трубах: w2 =
0,44 м/с
Относительная шероховатость:
2 = D/dвн = 0,0002/0,031 = 0,0064 (5.1)
где D = 0,0002 м -
шероховатость труб [2c. 14]
Коэффициент трения. Так как выполняется условие:
/е2 = 10/0,0064 =1562,5 < Re2 < 560/e2 = 560/0,0064 =
87500 (5.2)
то коэффициент трения будет равен:
l2 = 0,11(е2 + 68/Re2)0,25
= 0,11(0,0064 + 68/17665)0,25 = 0,035 (5.3)
.2 Сумма
местных сопротивлений
åx = x1 +
x2 + 4x3 = 0,5 + 1,0 + 8×0,154 = 2,73 (5.4)
где x1 = 0,5 - вход
в трубу [2c.14],
x2 = 1,0 - выход из трубы,
x3 = АВ = 1,4×0,11 = 0,154 - отвод круглого сечения.
5.3
Гидравлическое сопротивление трубного пространства
= (0,035×6·11/0,031 + 2,73)1062×0,442/2
=7941 Па (5.5)
.4 Подбор
насоса
Требуемый напор насоса:
Н = DР/(rg) =7941/(1062×9,8) = 0,76 м (5.6)
Объемный секундный расход:
= 0,0011 м3/с (5.7)
По этим двум величинам выбираем центробежный насос Х8/18, для которого
производительность Q = 2,4×10-3 м3/с, напор Н = 11,3 м [2c. 38].
5.5 Коэффициент
трения для воды в межтрубном пространстве
Скорость среды в межтрубном пространстве w1= 0,52 м/с
Относительная шероховатость:
1= D/dэ = 0,0002/0,011 = 0,018 (5.8)
Так как выполняется условие:
10/е1 = 10/0,018 = 555 < Re1 < 560/e1 = 560/0,018 =
31111,
то коэффициент трения будет равен:
l1 = 0,11(е1 + 68/Re1)0,25
= 0,11×(0,018 + 68/8445)0,25 = 0,044.
5.6 Сумма
местных сопротивлений
åx =11(x1 +
x2) = 16,5 (5.9)
где x1 = 0,5 - вход
в трубу [2c.14],
x2 = 1,0 - выход из трубы.
5.7 Гидравлическое
сопротивление межтрубного пространства
= (0,044×6·11/0,011 + 16,5)×1004×0,522/2 =8212 Па.
5.8 Подбор
насоса
Требуемый напор насоса:
Н = DР/(rg) = 8212/(1004×9,8) = 0,83 м.
Объемный секундный расход:
Q =
1,1×10-3 м3/с.
По этим двум величинам выбираем центробежный насос Х8/18, для которого
производительность Q = 2,4×10-3 м3/с, напор Н = 11,3 м [2c. 38].
6.
Конструктивный расчет
Основные размеры выбранного теплообменного аппарата тип «труба в трубе»
были определены ранее (пункт 4). Итак имеем:
Рисунок 6.1 - Теплообменный элемент
Теплообменник типа «труба в трубе» неразъемный:
диаметр теплообменных труб: 38х3,5 мм;
диаметр труб кожуха: 57х4 мм;
число элементов в одном ряду: 11;
длина труб: 6 м;
поверхность теплообмена: 23,45 м2;
число параллельно работающих труб: 3.
Также подберем основные конструктивные элементы аппарата.
6.1 Соединение
элементов
Соединение элементов между собой осуществляется с помощью калачей
радиусом 100 мм изогнутых на 180°.
6.2 Фланцы
Калачи и внутренне трубы снабжены плоскими приварными фланцами по ГОСТ
12820-80 при Р=1,6 МПа, конструкция и размеры которых приводятся ниже:
Рисунок 6.2 - Эскиз фланца
Таблица 6.2 Основные размеры фланца
|
d
|
D
|
D2
|
h
|
n
|
d1
|
|
39
|
135
|
100
|
80
|
14
|
4
|
18
|
.3 Опоры
Теплообменник крепится на сварном каркасе изготовленных из уголка №5.
Теплообменные элементы к опоре крепятся болтами с помощью хомутов
Рисунок 6.3- Схема крепления теплообменника
7. Характеристика и схема установки
Теплообменник "труба в трубе" включают несколько расположенных
друг над другом элементов, причем каждый элемент состоит из двух труб: наружной
трубы большего диаметра и концентрически расположенной внутри нее трубы
меньшего диаметра. Внутренне трубы элементов соединены друг с другом
последовательно; так же связаны между собой наружные трубы. Для возможности
очистки внутренне трубы соединяются при помощи съемных калачей.
Благодаря небольшому поперечному сечению в этих теплообменниках легко
достигаются высокие скорости теплоносителей в как в трубах, так и в межтрубном
пространстве. При значительных количествах теплоносителей теплообменник
составляют из нескольких параллельных секций, присоединяемых к общим
коллекторам.
Преимущества теплообменников "труба в трубе":
высокий коэффициент теплопередачи в следствии большой скорости
обоих теплоносителей;
простота изготовления.
Недостатки этих теплообменников:
громоздкость;
высокая стоимость ввиду большого расхода металла на наружные
трубы, не участвующие в теплообмене;
трудность очистки межтрубного пространства.
Теплообменники "труба в трубе" могут использоваться, как для
нагревания, так и для охлаждения.
Нагревание обычно производится или горячей водой или насыщенным водяным
паром, который запускается в межтрубное пространство и конденсируется на
поверхности внутренней трубы. Также распространение такие теплообменники
получили для теплообмена между средами жидкость - жидкость.
При охлаждении в теплообменниках "труба в трубе" в качестве
хла-доагента может использоваться речная или артезианская вода, а в случае,
когда требуется получить температуру ниже 5-20°С применяют холодильные рассолы
(водные растворы СаС12, NaCl,
и др.).
При небольших тепловых нагрузках, когда требуемая поверхность нагрева не
превышает 20 - 30 м2, целесообразно применение теплообменников типа «труба в
трубе». Такие теплообменники изготавливаются следующих типов:
неразборные однопоточные малогабаритные;
разборные одно- и двухпоточные малогабаритные;
разборные однопоточные;
неразборные однопоточные;
разборные многопоточные.
Рисунок 7.1- Неразборный теплообменник типа «труба в трубе»: (1 -
теплообменная труба; 2 - кожуховая труба; 3 - калач)
Рисунок 7.2 - Технологическая схема процесса
Уксусная кислота 10%-ая, из расходной емкости РЕ, с помощью центробежного
насоса Н подается в трубное пространство элемента Э теплообменника «труба в
трубе». В межтрубное пространство теплообменника подается греющий среда -
90%-ая уксусная кислота, который через стенку трубы подогревает нагреваемую
среду. Кислота подогретая за счет теплопередачи поступает в приемную емкость
(см. рис. 7.2).
Выводы
После проведенных предварительных и проверочных расчетов, сравнении
намеченных и полученных уточненных результатов, изучения существующих типов и
конструкций теплообменников, можно заключить, что выбранный теплообменник типа
«труба в трубе» удовлетворяет требованиям заданного процесса теплообмена.
Также учтена рекомендация по выбору наиболее простых по конструкции и
наиболее дешевых по материалам теплообменников.
Заключение
При выполнении курсовой работы были использованы и закреплены знания,
полученные дисциплине “Процессы и аппараты химической технологии”.
Целью данного проекта является расчет процесса теплообмена, выбор и расчет
теплообменного аппарата.
В ходе решения поставленной задачи курсовой работы, была освоена методика
тепловых и материальных расчетов теплообменных процессов, выбор и расчет
теплообменных аппаратов, получены навыки конструкторского расчета теплообменных
аппаратов, позволяющие обеспечить заданный теплообменный процесс. Закреплены
навыки применения технической литературы, ГОСТов и стандартов.
В ходе тепловых и материальных расчетов был намечен конкретный
теплообменный аппарат типа «труба в трубе». По результатам уточненных и
проверочных расчетов заключили о пригодности намеченных данных.
Также проведены гидравлические расчеты процесса и аппарата, по
результатам которых подобраны насосы.
Список литературы
1 Павлов
К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и
аппаратов химической технологии: Учебное пособие для вузов. М.: ООО ТИД
«Альянс», 2005.
Дытнерский
Ю.И. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по
проектированию/Борисов Г.С., Брыков В.П., Дытнерский Ю.И. и др., 2-е изд.,
перераб. и дополн. М.: Химия, 1991.
Плановский
А.Н., Рамм В.М., Каган С.З. Процессы и аппараты химической технологии. М.:
Химия, 1968. 847 с.
Тимонин А. С.
Основы конструирования и расчета химико-технологического и природоохранного
оборудования. Справочник. 2 том. Издательство Н. Бочкаревой. Калуга 2002.
Иоффе И. Л.
Проектирование процессов и аппаратов химической технологии: Учебник для
техникумов. - Л.: Химия, 1991. - 352 с., ил.
Локотанов Н.
С., Ермаков С. А. Методические указания к курсовому проектированию по
дисциплине «Процессы и аппараты химической технологии» Екатеринбург ГОУ ВПО
УРГУ-УПИ, 2003, 42 с.