Расчет и подбор нормализованного теплообменного аппарата
Размещено на http://www.
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:
С>2> = 4231,9 Дж/(кг К) – теплоемкость этилацетата (стр. 562, рис. XI, [1]);
λ>2> = 0,593 Вт/(м К) – коэф. теплопроводимости (стр. 561, рис. X, [1]);
ρ>2> = 998 кг/м3 – плотность этилацетата (стр. 512, т. IV, [1]);
μ>2> = 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
,
тогда
0С
- среднюю температуру исходного вещества:
0С
Данным условиям соответствуют следующие физико-химические показатели ацетона:
с>1> = 2304,5 Дж/(кг К) – теплоемкость этилацетата (стр. 562, рис. XI, [1]);
λ>1> = 0,163 Вт/(м К) – коэф. теплопроводимости (стр. 561, рис. X, [1]);
ρ>1> = 762,5 кг/м3 – плотность этилацетата (стр. 512, т. IV, [1]);
μ>1> = 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/ 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 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:
с>1> = 2258,4 Дж/(кг К) – теплоемкость (стр. 562, рис. XI, [1]);
λ>1> =0,167 Вт/(м К) – коэф. теплопроводимости (стр. 561, рис. X, [1]);
ρ>1> =779,5 кг/м3 – плотность (стр. 512, т. IV, [1]);
μ>1> = 0,293 10-3 Па с – коэф. динамической вязкости (стр. 516, т. IX, [1]).
- для воды:
с>2> = 4232,9 Дж/(кг К) – теплоемкость (стр. 562, рис. XI, [1]);
λ>2> =0,616 Вт/(м К) – коэф. теплопроводимости (стр. 561, рис. X, [1]);
ρ>2> =995 кг/м3 – плотность (стр. 512, т. IV, [1]);
μ>2> = 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
|
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
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.
«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.
А.Г. Касаткин «Основные процессы и аппараты химической технологии». М.: Химия, 1971.-784С.
Размещено на http://www.