Теплообмінні апарати

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вступ

кожухотрубний теплообмінник нагрівання охолоджування

Теплообмінні апарати призначені для проведення процесів теплообміну при необхідності нагрівання або охолоджування технологічного середовища з метою його обробки або утилізації теплоти.

Теплообмінна апаратура складає вельми значну частину технологічного устаткування в хімічній і суміжних галузях промисловості. Питома вага на підприємствах хімічної промисловості теплообмінного устаткування складає в середньому 15--18%, в нафтохімічній і нафтопереробній промисловостях 50 %. Значний об'єм теплообмінного устаткування на хімічних підприємствах пояснюється тим, що майже всі основні процеси хімічної технології (випаровування, сушіння та тощо) пов'язані з необхідністю підведення або відведення теплоти.

В загальному випуску теплообмінних апаратів для хімічної і суміжних галузей промисловості в Україні близько 80 % займають кожухотрубні теплообмінники. Ці теплообмінники достатньо прості у виготовленні і надійні в експлуатації і в той же час достатньо універсальні, тобто можуть бути використаний для здійснення теплообміну між газами, парами, рідинами в будь-якому поєднанні теплоносіїв і в широкому діапазоні їх тиску і температур.

Завданням курсового проекту з дисципліни «Процеси та апарати хімічного виробництва»:

- ознайомитися з теоретичними основами процесу теплообміну;

- ознайомитися з технологією теплообміну кожухотрубного теплообмінника;

- провести розрахунок кожухотрубного теплообмінника і порівняти з аналогічними, які виробляє промисловість.



1. Загальна частина

1.1 Призначення та сутнiсть процесу

Тепловий процес -- це процес переносу тепла вiд бiльш нагрiтого тiла до менш нагрiтого.

Перенесення енергії від більш нагрітих середовищ до менш нагрітих відбувається під дією рушійної сили, яка в теплових процесах вимірюється через локальну або середню різницю температур між теплоносіями. Звичайно при досягненні однакових температур між теплоносіями встановлюється рівноважний стан, але такий стан у природі і техніці є суто теоретичним, тому що досягнути його можна лише за тривалий час.

Тіла (робочі середовища), що беруть участь у процесах теплообміну, називаються теплоносіями. Робоче середовище з більш високою початковою температурою називають гарячим теплоносієм. У процесі теплообміну гарячий теплоносій віддає теплову енергію, при цьому температура гарячого теплоносія знижується. Робоче середовище з меншою початковою температурою називають холодним теплоносієм, у процесі теплообміну теплова енергія передається від гарячого до холодного теплоносія , та температура останнього підвищується.

Процеси, пов'язані з передачею тепла від гарячих теплоносіїв до холодних, називаються теплообмінними.

У процесі теплообміну гарячий і холодний теплоносії звичайно розділені стінкою, яка здатна добре переносити тепло та виключає можливість змішування теплоносіїв з різними фізико-хімічними властивостями.

Iснують три способи передачі тепла:

теплопровiднiсть -- це передача тепла всерединi тiла вiд одних частинок до iнших внаслiдок їх руху i взаємного контактування, шляхом теплопровiдностi;

конвекцiя -- це перенесення тепла в рiдинах та газах шляхом перемiщення їх частинок. Якщо переміщення об'ємів середовища відбувається мимовільно від впливом різниці густини, то така конвекція називається вільною. Якщо переміщення об'ємів відбувається в результаті впливу зовнішніх сил , то така конвекція називається вимушеною або примусовою;

теплове випромiнювання -- за допомогою переносу теплової енергії методами електромагнітної радіації або фотонами у певному діапазоні довжин хвиль у середовищі газів , рідини або твердих тіл, при цьому середовище повинне мати властивість часткової або повної прозорості стосовно променистої енергії.

Окремий частковий процес перенесення тепла в межах однорідної фази з ядра потоку гарячого теплоносія до поверхні теплопередачі або від нагрітої поверхні у ядро потоку холодного теплоносія називається тепловіддачею.

Процес перенесення тепла з ядра потоку гарячого теплоносія у ядро потоку холодного теплоносія через роздільну стінку (міжфазну границю) називається теплопередачею. Основний закон теплопередачi:

Q =K·F·Дtcер, Вт, (1.1)

де К-- коефiцiєнт теплопередачi, Вт/м² ·К,

F - поверхня теплообмiну, м²,

Дtcер - середній температурний напір, ?С.

Кiлькiсть тепла, що передасться вiд гарячого теплоносiя до холодного агента пропорцiйна поверхнi теплообмiну F(м²) i середньому температурному напору.

Iснують чотири види руху теплоносiїв:

а) прямоток;

б) протиток;

в) перехресний ток;

г) змiшаний ток.

Прямоток -- обидва теплоносiї рухаються в одному напрямку.

Протиток -- теплоносii рухаються у протилежних напрямках.

Перехресний ток -- теплоносiї рухаються взаємоперпендикулярно.

Змiшаний ток -- це коли один теплоносiй рухається в одному напрямку, а другий -- то прямотоком, то протитоком вiдносно першого.

В якостi нагрiваючого агента застосовують водяну пару. Водяна пара являє собою найбiльш розповсюджений теплоносiй для нагрiву теплоносія до температури 100-200єС, що відповідає тиску гріючої пари 0,1-1,6 МПа.

Вона має ряд переваг:

- нетоксична;

- при конденсації водяної пари виділяється велика кiлькiсть тепла;

- високий коефiцiєнт тепловiддачi;

- постiйна температура конденсацiї вздовж поверхнi нагрiву;

- можливiсть транспортування по трубопроводам;

- легке регулювання обiгрiву.

Недолiки полягають у тому, що з зростом температури зростає тиск насиченої водяної пари.

1.2 Обґрунтування конструкції та принцип дії апарату

В процесах переробки полімерів треба пiдводити або вiдводити тепло, щоб забезпечити потрiбну температуру в апаратах. Для цих цiлей служать спецiальнi апарати, якi називаються теплообмiнними або теплообмiнниками. В теплообмiнних апаратах один iз потоків вiддає тепло, а другий сприймає, тобто один потiк нагрiвається, а iнший -- охолоджується.

Теплообмінним називають обладнання, у якому проходять процеси обміну теплотою між двома теплоносіями.

Теплообмiнники класифікують за способом передачi тепла:

- поверхневi - тепло передається через роздiляючу глуху стiнку;

- теплообмiнники змiшувальнi, в яких вiдбувається безпосереднє змiшування теплоносiїв;

- регенеративнi -- в них теплоносiй нагрiвається вiд контактування iз твердою нагрiтою стiнкою, яка перiодично нагрiвається iншим теплоносiєм.

За призначенням: пiдiгрiвачi; холодильники; конденсатори.

Найбiльше застосування в нафтопереробнiй промисловостi набули поверхневi теплообмiнники:

а) кожухотрубнi;

-- жорсткi теплообмiнники;

-- з лiнзовим компенсатором;

-- з плавочою головкою;

-- U-подiбнi;

-- секцiйнi кожухотрубнi;

б) змiєвиковi

-- погружнi змiєвиковi;

-- зрошувальні;

-- «труба в трубi».

У поверхневих теплообмінниках теплоносії розділені стінкою та обмінюються теплом через поверхню теплообміну.

Поверхневі теплообмінники бувають двох типів: рекуперативні та регенеративні.

У рекуперативних теплообмінних апаратах (ТА) теплоносії одночасно рухаються по різні боки поверхні теплопередачі та обмінюються теплом через роздільну стінку. Цей вид теплообмінного обладнання є основним, що застосовується в хімічній, газонафтопереробній, енергетичній та інших галузях промисловості.

У регенеративних теплообмінниках теплообмінна поверхня по черзі обмивається спочатку гарячим, а потім холодним теплоносієм, тому регенеративні теплообмінники працюють циклічно. Спочатку в апарат подається гарячий теплоносій, який контактує з розвинутою теплообмінною поверхнею - насадкою з великою масою, при цьому відбувається її розігрівання до заданої температури та накопичення певного запасу тепла. Через деякий проміжок часу відбувається автоматичне перемикання регулювальних клапанів і в апарат надходить холодний теплоносій,який контактує з нагрітою поверхнею насадки, нагрівається сам і одночасно охолоджує поверхню теплообміну. Після цього знову відбувається переключення клапанів, і в апарат подається гарячий теплоносій. Як правило, в регенеративних теплообмінниках відбувається теплообмін між газовими теплоносіями. Регенеративні теплообмінники знайшли широке застосування в газорозділюючих установках, а також у металургійній промисловості.

За цільовим технологічном призначенням розрізняють такі рекуперативні теплообмінники: власне теплообмінники; підігрівники; холодильники; конденсатори; охолоджувачі-конденсатори; випарники; випарники-конденсатори та ін.

Технологічне призначення кожухотрубчастих теплообмінників звичайно відображене в умовних позначеннях, при цьому застосовують такі буквені індекси: И - випарник; К - конденсатор; Т - теплообмінник; X-холодильник.

За способом утворення теплообмінної поверхні розрізняють: апарати, виготовлені з труб (трубні, кожухотрубчасті, змійовикові, кручені та ін.); теплообмінні апарати, виготовлені з листового прокату (пластинчасті, спіральні, тощо).

За орієнтацією теплообмінної поверхні розрізняють вертикальні (В), горизонтальні (Г) та похилі.

За способом компенсації температурних подовжень теплообмінні апарати бувають: без компенсації - жорсткої конструкції; з компенсацією пружним елементом - напівжорсткої конструкції; з компенсацією в результаті вільних подовжень - нежорсткої конструкції.

Наявність конструктивних пристроїв для компенсації температурних подовжень відбито в умовних позначеннях типу теплообмінника такими індексами: ИУ - випарник з У-подібними трубками; ТН -теплообмінник з нерухомими трубними дошками; ТП - теплообмінник із плаваючою голівкою; ХК - холодильник з температурним компенсатором на корпусі.

Окремі види теплообмінного обладнання мають додаткові класифікаційні ознаки.

Стандартизовані кожухотрубні теплообмінники виготовляються машинобудівними заводами з поверхнею 1-1500 м², розраховані на робочий тиск від вакууму до 10 МПа та для широкого діапазону температур від --70 до +540 °С, вони виготовляються з вуглецевих, корозійностійких, високолегованих і двошарових (біметалевих) сталей, а також з кольорових металів та їх сплавів.

Для здiйснення підігріву бензолу водяною гріючою парою проектуємо один двохходовий теплообмiнник типу ТК.

Теплообмiнник складається з корпусу, трубних решіток, де закрiпленнi труби та лінзового компенсатора.

Основний елемент кожухотрубних теплообмiнникiв -- труби. Маса трубного пучка -- 60-70% вiд маси апарату. В проектуємому теплообмiннику застосовують труби, дiаметр яких дорiвнює 25х2 мм.

Теплообмiнники з лiнзовим компенсатором застосовують для зменшення температурних напружень в апаратах жорсткого типу. Такi теплообмiнники мають на корпусi лiнзовий компенсатор, деформацiя якого забезпечує зниження температурних зусиль в корпусi і у трубах.

Конструктивна особливість цього теплообмiнника залежить вiд того, що пучок труб, який зібраний в двох трубних решітках, жорстко закрiплений в корпусi теплообмiнника. Це забезпечує простоту конструкцiї, але головний недолiк -- це погане сприйняття температурної напруги, що обмежує їх застосування.

Труби в трубнiй решiтцi крiпляться шляхом розвальцовки. Розвальцовуються труби за допомогою спецiального iнструменту -- вальцовка, який має обертаючi рамки, що пiд час обертання розширюються за допомогою конуса, i таким чином розширюють кiнець труби. Кiнець труби пластично деформується i щiльно прижимається до гнізда. Матерiал решiтки повинен бути твердiшим нiж матерiал труб.

Поперечнi перегородки у мiжтрубному просторi застосовуються для забезпечення необхiдного напрямку теплого агенту та одночасно пiдтримують трубний пучок. Товщина перегородок залежить вiд дiаметру апарату, тому роблять 5-10 мм. Крiплять за допомогою стержнiв, якi розмiшенi мiж трубками. Лiнза компенсатора зварюється з двох напiвлiнз. Напiвлiнза шматується iз заготiвок типу шайба. Лiнза може зварюватися в групи по 2, 3, 4, 5 i 6 лiнз пiдряд. Компенсатор повинен мати велику гнучкiсть, тому його виготовляють значно тонше нiж кожух теплообмiнника. Одна лiнза допускає розтяг або стискання кожуха до 8 мм.

В проектуємому апаратi є трубний простiр, куди подається бензол, а в мiжтрубний простір- гріюча пара. Цi середовища направляються протитоком вiдносно один одного. При вказаному напрямку руху, середовища досягнуть бiльш рiвномiрного роздiлення швидкостей та iдентичностi умов теплообмiну.

Користуючись довідниковими та розрахунковими даними до установки приймається один двохходовий теплообмінник типу ТК з характеристикою, яка представлена в таблиці 1. Запас площі поверхні теплообміну 28%

Таблиця 1. Характеристика кожухотрубного теплообмінника

№ п/п	Показник	Позначення	Одиниця вимірювання	Значення
1	Діаметр	Д	мм	400
2	Довжина	l	м	2,0
3	Поверхня теплообміну	F	м2	16,0
4	Відношення кількості труб на один хід		шт	50



2. Розрахункова частина

2.1 Тепловий розрахунок

Теплове навантаження на апарат по холодному теплоносію визначаємо за формулою:

Q = G_хол • С_хол • , Вт, (2.1)

де G_хол - масові витрати холодного теплоносія - бензолу, кг/с;

С_хол - питома теплоємність холодного теплоносія - бензолу, Дж/кг•К;

- кінцева температура холодного теплоносія - бензолу, ⁰С;

- початкова температура холодного теплоносія - бензолу, ⁰С.

Перерахування масових витрат теплоносія здійснюємо за формулою:

кг/с, (2.2)

де G' = 20,5 т/год - масові витрати бензолу.

Питому теплоємність бензолу визначаємо за середньою температурою теплоносія:

⁰С, (2.3)

де t_поч = 25⁰С - початкова температура бензолу;

t_кін = 75⁰С - кінцева температура бензолу.

При ?t_сер.б = 50⁰С теплоємність бензолу становить С_б = 1877,12 Дж/кг•К [1, с. 808]

Отримані результати за розрахунками формул (2.2), (2.3) підставляємо в формулу (2.1) і отримуємо результат:

Q = G_б • С_б • = 5,69 • 1877,12 • (75 - 25) = 534040,64 Вт.

Витрати гарячого теплоносія - водяної пари, визначаємо за формулою:

Q = G_пар • r, Вт, (2.4)

де G_пар - масові витрати пари, кг/с;

r - скрита теплота пароутворення, Дж/кг.

При тиску гріючої пари Р_пар = 0,3 МПа температура пари дорівнює

t_пар= 132,9⁰С [2, с. 550], скрита теплота пароутворення становить:

r = 2171•10³ Дж/кг [2, с. 550].

Масові витрати пари визначаємо виходячи з формули (2.4):

кг/с (2.5)

Для визначення середнього температурного напору, необхідно накреслити рух теплоносія - протиток, відповідно до завдання.

132,9⁰С 132,9⁰С

75⁰С 25⁰С

Рисунок 1. Протиточний рух теплоносія

За рисунком 1 визначаємо:

мінімальну різницю температур:



?t_mіn = 132,9 - 75 = 57,9⁰С; (2.6)

максимальна різниця температур:

?t_mах = 132,9 - 25 = 107,9⁰С. (2.7)

Оскільки має місце співвідношення:

< 2, (2.8)

то середній температурний напір визначаємо за формулою:

⁰С (2.9)

Розрахунок площі поверхні теплообміну. Вибір теплообмінника.

Для вибору теплообмінника необхідно визначити наближену величину площі поверхні теплообміну за формулою:

, м², (2.10)

де К_ор - коефіцієнт теплопередачі, Вт/м²•К;

?t_сер - середній температурний напір, ⁰С.

Користуючись довідниковими даними коефіцієнт теплопередачі буде дорівнювати К_ор = 270 Вт/м²•К [2, табл. 4.8].

Поверхня теплообміну становитиме:



м².

Приймаємо, що по трубному простору теплообмінника буде рухатись бензол. Водяна пара, як більш чистий теплоносій, нехай буде конденсуватись в міжтрубному просторі.

Приймаємо труби діаметром 25Ч2 мм. Рух бензолу в трубному просторі є турбулентним з критерієм Рейнольдса, Rе_б> 10000. В цьому випадку швидкість руху рідини в трубному просторі визначається за формулою:

, м/с, (2.11)

де м_б - в'язкість бензолу, Па•с;

с_б - густина бензолу, кг/м³;

d_вн - внутрішній діаметр трубки, м.

При ⁰С:

м_б⁵⁰ = 0,436·10^-3 Па•с [1, с. 806];

с_б⁵⁰ = 847 кг/м³ [1, с. 804].

Внутрішній діаметр трубки розраховується за формулою:

d_вн = d_зов - д = 25 - 2 · 2 = 21 мм = 0,021 м, (2.12)

де d_зов = 25 мм - зовнішній діаметр труб;

д = 2 мм - товщина стінки труби.

За формулою (2.11) розраховуємо швидкість руху рідини - бензолу:



м/с.

Визначаємо число труб, які забезпечують витрати бензолу при Rе_б = 10000 за формулою:

шт, (2.13)

де р = 3,14 число Пи.

Приймаємо умовно теплообмінник за довідниковими даними [2, с. 214, табл. 4.12].

Умовам < 77,6 та F_ор <23,9 м² задовольняє теплообмінник двохходовий з наступною характеристикою (таблиця 2).

Таблиця 2. Характеристика умовно прийнятого горизонтального теплообмінника

№ п/п	Показник	Позначення	Одиниця вимірювання	Значення
1	Діаметр кожуха	Д	мм	400
2	Довжина труб	l	м	2,0
3	Поверхня теплообміну	F	м2	16,0
4	Відношення кількості труб на один хід		шт	50

Визначаємо коефіцієнт тепловіддачі для бензолу за формулою:

, Вт/м²•К, (2.14)

де Nu_б- критерій Нуссельта;

л_б - коефіцієнт теплопровідності бензолу, Вт/м•К;

d_вн - внутрішній діаметр трубки, м.

Уточнити значення критерію Рейнольдса за формулою:

, (2.15)

де n' = 77,6 шт - розрахункова кількість труб на один хід;

n = 50 шт - прийнята кількість труб на один хід.

Визначаємо критерій Прандтля для бензолу за формулою:

, (2.16)

де С_б⁵⁰ = 1877,12 Дж/кг•К - питома теплоємність бензолу [1, с. 808];

л_б⁵⁰ = 0,13804 Вт/м•К - теплопровідність бензолу [1, с. 810].

Підбираємо критеріальне рівняння для руху рідини всередині труб. Для турбулентного режиму руху рідини всередині труб критерій Нуссельта розраховуємо за формулою:

. (2.17)

Приймаємо з наступною перевіркою, Е_е = 1 [2, табл.4.5].

Критерій Нуссельта становить:



=

= 0,021 • 15520^0,8 • 5,93^0,43 • 1,05 • 1 = 106,8.

Отримані результати з формули (2.17) підставляємо в формулу (2.14):

Вт/м²•К.

Визначаємо коефіцієнт тепловіддачі для гріючої водяної насиченої пари, яка конденсується в міжтрубному просторі.

Для прийнятого пучка гладких горизонтальних труб коефіцієнт тепловіддачі задається формулою:

= Вт/м²К, (2.18)

де Е = 0,6 - поправочний коефіцієнт, який залежить від розташування труб і від числа труб по вертикалі, [2, с. 157];

л_гор =68,57•10^-2 Вт/м•К - питома теплопровідність конденсату, [2, табл. ХХХІХ]

с_гор = 932,55 кг/м³ - густина конденсату, [2, табл. ХХХІХ];

r - прихована теплота випаровування (або конденсації) водяної пари, Дж/кг;

м_гор = 207,7•10^-6 Па•с- в'язкість конденсату, [2, табл. ХХХІХ];

?t = 10⁰С- прийнята різниця температур пари та стінки, ⁰С.

Для визначення коефіцієнту теплопередачі приймаємо:

- теплова провідність забруднень зі сторони бензолу:

Вт/м²•К [2, табл. ХХХІ];

- теплова провідність забруднень зі сторони водяної пари:

Вт/м²•К [2, табл. ХХХІ];

- коефіцієнт теплопровідності сталі:

л_ст = 46,5 Вт/м²•К [2, табл. ХХVІІІ].

Загальну теплову забрудненість визначаємо за формулою:

. (2.19)

На підставі розрахунків формул (2.14), (2.19) коефіцієнт теплопередачі визначаємо за формулою:

Вт/м²•К. (2.20)

Тепловий потік розраховуємо за формулою:

q = К • ?t_сер = 516 • 82,9 =42776,4 Вт/м². (2.21)



Перевіряємо прийняте значення , розраховуючи:

- середню уточнену температуру бензолу:

⁰С (2.22)\

- середню уточнену температуру стінок бензолу:

?t_ст.б = t_б + ?t_б = 50+60,9 = 110,9⁰С. (2.23)

Критерій Прандтля для стінки бензолу визначаємо за формулою:

, (2.24)

де С_ст.б^110,9 = 2152,11 Дж/кг•К [1, с. 808];

л_ст.б^110,9 = 0,1228 Вт/м•К [1, с. 810];

м_ст.б^110,9 = 0,2381•10^-3 Па•с [1, с. 806].

Уточнене співвідношення:

. (2.25)

Різниця між прийнятою та розрахунковою складає %, що допустимо (межа різниці між прийнятою та розрахунковою не повинна перебільшувати 5%).

Розрахункова поверхня теплообміну:

м². (2.26)

До установки приймаємо один двоходовий теплообмінник типу ТК (ГОСТ 15188-79) з характеристикою, яка представлена в таблиці 3.

Таблиця 3. Характеристика прийнятого кожухотрубного теплообмінника

№ п/п	Показник	Позначення	Одиниця вимірювання	Значення
1	Діаметр кожуха	Д	мм	400
2	Довжина труб	l	м	2,0
3	Поверхня теплообміну	F	м2	16,0
4	Відношення кількості труб на один хід		шт	50

Запас площі поверхні теплообміну:

%. (2.27)

Примітка: запас площі поверхні теплообміну допускається до 30%.

2.2 Розрахунок діаметрів штуцерів

Розрахунок діаметрів штуцерів здійснюємо за рівнянням нерозірванності потоку:



, м. (2.28)

Визначаємо діаметри штуцерів для трубного простору вводу та виводу бензолу за формулою (2.28):

м, (2.29)

де w - лінійна швидкість, м/с.

Користуючись довідниковими даними [1, с. 187], лінійну швидкість рідини знаходимо в інтервалі 0,5-4 м/с. Приймаємо w = 1 м/с.

Визначаємо діаметри штуцерів для міжтрубного простору вводу та виводу водяної пари за формулою (2.28):

м, (2.30)

де с_пар = 1,36 кг/м³ - густина водяної пари при Р = 0,3 МПа, [2, с. 550].

Користуючись довідниковими даними [1, с. 187], швидкість пари знаходиться в інтервалі 15-25 м/с. Приймаємо w = 20 м/с.

Умовні діаметри штуцерів приймаємо згідно ГОСТу та зводимо їх у таблицю 4.

Таблиця 4. Діаметри штуцерів

Найменування штуцерів	Діаметр розрахунковий, мм	Діаметр умовний, мм
Вхід та вихід бензолу	93	100
Вхід та вихід гріючої водяної пари	108	150



2.3 Гідравлічний розрахунок теплообмінника

Визначаємо гідравлічний опір для трубного простору по якому рухається бензол за формулою:

, Па, (2.31)

де л - коефіцієнт тертя;

l = 2 м - довжина труби;

d_вн = 0,021 м - внутрішній діаметр труби;

?ж - сума коефіцієнтів місцевих опорів;

W - масова швидкість, кг/м²•с;

с_б - густина бензолу (див. формулу (2.11)).

Масова швидкість потоку становить:

W_б = w_б • с_б = 0,25 • 847 = 211,75 кг/м²•с, (2.32)

де w_б = 0,25 м/с - лінійна швидкість бензолу (див. формулу (2.11)).

Коефіцієнт тертя визначаємо за формулою:

, (2.33)

де Rе = 15520 - критерій Рейнольдса (див. формулу (2.15)).

Користуючись довідниковими даними [1, с. 455, табл. 17], визначаємо коефіцієнти місцевих опорів:

- вхід та вихід в трубу:



ж = 2· (1,5 + 1) = 5; (2.34)

- поворот між ходами - 2,5;

- разом: ?ж = 7,5.

Гідравлічний опір трубного простору становить:

Па.

Тут перед значенням довжини труб стоїть множник 2, так як рідина йде по двом ходам. Визначаємо гідравлічний опір міжтрубного простору теплообмінника. По міжтрубному простору рухається, конденсуючись, водяна пара. За довідниковими даними [2, с. 214] визначаємо число рядів труб при поперечному русі між перегородками: m = 10.

Число поперечних ходів між перегородками становить:

, (2.35)

де l = 2 м - довжина труби;

h = 0,25 м - відстань між перегородками [2, с. 215].

Коефіцієнт опору визначаємо за формулою:

, (2.36)

де m = 10 [2, с. 214].

Визначаємо критерій Рейнольдса для міжтрубного простору за формулою:

, (2.37)

де w_пар = 15 м/с [1, с. 187];

с_пар = 1,36 кг/м³ [2, с. 550];

м_пар = 207,7•10^-6 Па•с [2, с.].

Еквівалентний діаметр визначаємо за формулою:

м, (2.38)

де n = 100 шт - число труб теплообмінника [2, с. 214];

d_вн = 0,4 м - внутрішній діаметр кожуха [2, с. 214].

За формулою (2.30) визначаємо місцеві опори, якщо число поперечних ходів між перегородками становить 8,

ж = 8 •6,06 = 48,5. (2.39)

Місцеві опори:

? вхід та вихід:

0,5 + 1 = 1,5; (2.40)

? повороти біля перегородок:

7 • 1,5 = 10,5; (2.41)

- сума місцевих опорів:



?ж = 48,5 +3+10,5 = 62. (2.42)

Визначаємо масову швидкість водяної гріючої пари за формулою:

W = w_пар • с_пар = 15 • 1,36 = 20,4 кг/м²•с. (2.43)

Гідравлічний опір міжтрубного простору становить:

Па. (2.44)

2.4 Розрахунок та вибір відцентрового насосу

За вихідними даними необхідно розрахувати і підібрати відцентровий насос для подачі бензолу з ємності, яка знаходиться під атмосферним тиском, в апарат, який працює під надлишковим тиском 0,3 МПа.

Температура толуолу - 25⁰С.

Геометрична висота підняття - 10 м.

Довжина трубопроводу на лінії всмоктування - 2,0 м.

На лінії всмоктування та нагнітання стоять по одному нормальному вентилю, є два коліна під кутом 90⁰ на лінії нагнітання.

Приймаємо діаметри трубопроводу на лінії всмоктування та нагнітання однаковими та рівними діаметру штуцера на вході та виході з апарату (d_1,2 = 100 мм).

Знаходимо критерій Рейнольдса для бензолу при температурі 25?С за формулою:

, (2.45)

де d_1,2 = 0,1 м;

w = 2 м/с - лінійна швидкість бензолу [1, с. 187];

с_б²⁵ = 873,75 кг/м³ - густина бензолу при 25⁰С [1, с. 804];

м_б²⁵ =0,605·10^-3 Па•с - в'язкість бензолу при 25⁰С [1, с. 806].

Продуктивність відцентрового насосу визначаємо за формулою:

м³/год. (2.46)

Приймаємо абсолютну шорсткість нових сталевих труб l = 0,2 мм, [4, с. 48].

Відносна шорсткість труб е становить:

. (2.47)

Значення коефіцієнта тертя знаходимо за формулою:

(2.48)

Приймаємо за довідниковими даними [2, с. 520] місцеві опори на лінії всмоктування і на лінії нагнітання.

Користуючись довідниковими даними [2, с. 520] сума місцевих опорів становить:

На лінії всмоктування:

- вхід в трубу (края гострі) - ж = 0,5;

- нормальний вентиль (повне відкриття) - d_1,2 = 100 мм; ж = 4,1.

Сума місцевих опорів на лінії всмоктування становить:

?ж_вс = 0,5 + 4,1 = 4,6. (2.49)

На лінії нагнітання:

- вихід з труби (края гострі) - ж = 1,0;

- нормальний вентиль (повне відкриття) - d_1,2 = 100 мм; ж = 4,1;

- два коліна під кутом 90⁰ - ж = 1,1 • 2 = 2,2.

Сума місцевих опорів на лінії нагнітання становить:

?ж_наг = 1,0 + 4,1 + 2,2 = 7,3. (2.50)

Визначаємо повну втрату напору за формулою:

, м. (2.51)

На лінії всмоктування:

м. (2.52)

На лінії нагнітання:

м. (2.53)

Загальну повну втрату напору визначаємо за формулою:



h_пов = h_вс + h_наг = 1,03 + 1,97= 3 м. (2.54)

Визначаємо повний напір, який розвивається насосом за формулою:

м. (2.55)

де Р₁, Р₂ - тиск в апараті, з якого / куди перекачується рідина, Па;

Н_г =10 м - геометрична висота підняття;

h_пов = 3,0 м - повна втрата напору.

Визначаємо корисну потужність насосу за формулою:

, кВт, (2.56)

де G_б= 5,69 кг/с (див. формулу (2.2)).

кВт. (2.57)

Користуючись довідниковими даними [3, с. 29] приймаємо з_пер = 1 та з_н = 0,85 для насосів малої продуктивності.

Знаходимо потужність на валу двигуна за формулою:

кВт. (2.58)

Визначаємо потужність, яка споживається двигуном від мережі при з_дв = 0,94 [3, с. 29] за формулою:

кВт. (2.59)

Користуючись довідниковими даними [3, с. 29] визначаємо коефіцієнт запасу потужності в для розрахунку потужності устаткування за формулою:

N_уст = N_дв • в = 2,54 • 1,3 = 3,302 кВт. (2.60)

Користуючись довідниковими даними [3, с. 29] до установки приймаємо відцентровий насос.

Відцентровий насос слід обирати за умовами: розрахункова продуктивність насосу становить Q_б= 23,33 м³/год < Q_пр, повний напір, що розвивається насосом Н_р = 36,33 м < Н_пр, і тому, цим умовам задовольняє відцентровий насос марки АХ 65-40-200 з наступною характеристикою:

продуктивність - Q = 25 м³/год;

висота напору - Н = 50 м;

число обертів - n = 2900 об/хв;

електродвигун - N = 15 кВт; тип 4А160S2.



Висновки

В ході виконання курсового проекту розглянуто: призначення та сутність теплового процесу, обґрунтований вибір конструкцій теплообмінника типу ТК, проведений розрахунок кожухотрубного теплообмінника, внаслідок чого за ГОСТом підібрано один двохходовий кожухотрубний теплообмінник з наступною характеристикою:

внутрішній діаметр кожуха Двн = 400 мм;

загальна кількість трубок n = 100 шт;

поверхня теплообмінника F = 16 м²;

довжина труб l = 2,0 м [2, табл. 4.12].

Запас площі поверхні теплообміну становить 28 %, що є достатнім.

Крім цього були розраховані діаметри штуцерів та підібрані згідно ГОСТу для трубного простору (бензолу) - 100 мм, для міжтрубного простору (водяна гріюча пара) - 150мм.

Виконано креслення:

загальний вид апарату - кожухотрубний теплообмінник.

Размещено на Allbest.ru

...