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 tн1
= 56 0С. Конечная
температура ацетона, по условию задания, равной 36 0С. Вода
подается в теплообменник с начальной температурой tн2 = 17 0С.
Конечная температура равна tн2
= 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])
εl = 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:
с1.1 =2220,7 Дж/(кг К) – теплоемкость при tст =25 0C;
с1.2 = 2258,41 Дж/(кг К) – теплоемкость при tст =30 0C;
с1.3 = 2283,55 Дж/(кг К) – теплоемкость при tст =40 0C;
с1.4 =2308,69 Дж/(кг К) – теплоемкость при tст = 50 0C;
с1.5 =2342,21 Дж/(кг К) – теплоемкость при tст =55 0C;
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 tст = 240C;
с2.2 = 4252,9 Дж/(кг К) – теплоемкость воды при tст = 29,250C;
с2.3 = 4273,8 Дж/(кг К) – теплоемкость воды при tст = 39,70C;
с2.4 = 4315,7 Дж/(кг К) – теплоемкость воды при tст = 50,20C;
с2.5 = 4336,7 Дж/(кг К) – теплоемкость воды при tст = 55,40C;
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 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
Диаметр кожуха внутренний D, мм
|
Число труб n
|
Длина труб l, мм
|
Проходное сечение, м2
|
nр
|
h, мм
|
1,0
|
1,5
|
2,0
|
3,0
|
4,0
|
6,0
|
9,0
|
Sт102
|
Sм102
|
Sв.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
|
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
nр – 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.