Расчет кожухотрубчатого теплообменного аппарата

Размещено на http://www.allbest.ru/

7

Задание

Рассчитать и выбрать теплообменный аппарат по следующим данным:

1. Нагреваемая среда

· Состав: толуол

· Начальная температура: 20 °С

· Конечная температура:55 °С

· Давление: 1 атм.

2. Охлаждаемая среда

· Состав: рассол

· Начальная температура: 75 °С

· Конечная температура: 5 °С

· Давление: 1 атм.

3. Пропускная способность аппарата по количеству нагреваемой среды 2 кг/с

Оглавление

• 1. Теория теплообмена 3
• 1.1 Теплопередача через плоскую стенку 3
• 1.2 Пути интенсификации теплопередачи 6
• 1.3 Назначение, классификация и схемы теплообменных аппаратов 8
• 2. Расчет аппарата 10
• Вывод 15
• Список используемой литературы 16
• 1. Теория теплообмена
• теплообмен аппарат нагреваемый
• Теплопередача является сложным физическим процессом, который условно подразделяется натри элементарных механизма переноса тепла, а именно: теплопроводность, конвекцию и тепловое излучение.
• Теплопроводность представляет собой процесс распространения тепловой энергии при непосредственном соприкосновении твердых, жидких и газообразных тел или их частей, имеющих различные температуры. Теплопроводность обусловлена колебательным движением микрочастиц тела. Конвекция имеет место только в текучих средах и представляет собой перенос тепловой энергии при перемещении объемов жидкости или газа в пространстве.
• Тепловое излучение -- это процесс распространения тепловой энергии в виде электромагнитных волн. При тепловом излучении происходит двойное превращение энергии, т. е. тепловая энергия излучающего тела переходит в лучистую, а лучистая энергия, поглощенная телом, переходит в тепловую.
• Элементарные виды переноса тепла чаще всего происходят совместно. Так, теплопроводность в чистом виде имеет место лишь в твердых телах. В реальных условиях элементарные виды теплообмена могут находиться в различных сочетаниях. Так, например, процессы передачи тепла через ограждающие конструкции зданий и сооружений или от горячего газа к холодной жидкости через разделяющую их стенку включают все элементарные виды теплообмена и называются процессом теплопередачи.
• 1.1 Теплопередача через плоскую стенку
• Передача теплоты от одной подвижной среды (жидкости или газа) к другой через разделяющую их твердую стенку любой формы называется теплопередачей.
• Примером теплопередачи служит перенос теплоты от дымовых газов к воде через стенки труб парового котла, включающий в себя конвективную теплоотдачу от горячих дымовых газов к внешней стенке, теплопроводность в стенке и конвективную теплоотдачу от внутренней поверхности стенки к воде. Особенности протекания процесса на границах стенки при теплопередаче характеризуются граничными условиями третьего рода, которые задаются температурами жидкости с одной и другой стороны стенки, а также соответствующими значениями коэффициентов теплоотдачи.
• Рис. 1.1 Теплопередача через плоскую стенку
• Рассмотрим процесс теплопередачи через однородную плоскую стенку толщиной ? (рис. 1.1). Заданы: коэффициент теплопроводности стенки ?, температуры окружающей среды tж1 и tж2, коэффициенты теплоотдачи ?1 и ?2. Необходимо найти тепловой поток от горячей жидкости к холодной и температуры на поверхностях стенки tс1 и tс2. Плотность теплового потока от горячей среды к стенке определится уравнением (9.14)
• При стационарном режиме этот же тепловой поток пройдет путем теплопроводности через твердую стенку и будет передан от второй поверхности стенки к холодной среде за счет теплоотдачи:
• Перепишем приведенные уравнения в виде:
• Складывая левые и правые части полученных равенств, запишем
• Отсюда
• Где
• Величина k называется коэффициентом теплопередачи, который выражает количество теплоты, проходящее через единицу поверхности стенки в единицу времени при разности температур между горячей холодной и горячей жидкостью, равной 1К (размерность Вт/(м2·К)). Величина обратная коэффициенту теплопередачи, называется полным термическим сопротивлением теплопередачи
• Величины
• и
• называются термическими сопротивлениями теплоотдачи. Температуры на поверхностях однородной стенки определяются из уравнений:
• 1.2 Пути интенсификации теплопередачи
• При неизменной разности температур между горячим и холодным теплоносителями передаваемый тепловой поток зависит от коэффициента теплопередачи. Так как теплопередача представляет собой сложное явление, рассмотрение путей ее интенсификации связано с анализом частных составляющих процесса. В случае плоской стенки
• Увеличение k может быть достигнуто за счет уменьшения толщины стенки и выбора более теплопроводного материала. Если термическое сопротивление теплопроводности стенки мало, то при
• Отсюда видно, что коэффициент теплопередачи всегда меньше самого малого из коэффициентов теплоотдачи. Следовательно, для увеличения коэффициента теплопередачи нужно увеличивать наименьшее из значений коэффициентов теплоотдачи ?1 или ?2. Если ?1»?2, то необходимо увеличивать и ?1 и ?2 одновременно.
• Если увеличить наименьший коэффициент теплоотдачи не удается, теплообмен можно интенсифицировать путем оребрения стенки со стороны меньшего коэффициента теплоотдачи.
• 1.3 Назначение, классификация и схемы теплообменных аппаратов
• Теплообменными аппаратами называются устройства, предназначенные для передачи теплоты от одного теплоносителя к другому. В зависимости от способа передачи теплоты они бывают контактными и поверхностными.
• В контактных (смесительных) аппаратах теплообмен осуществляется путем непосредственного соприкосновения и смешения горячей и холодной жидкости. Эти аппараты применяются главным образом для охлаждения и нагревания газов водой или охлаждения воды воздухом. В них теплообмен сопровождается массообменном. Одним из основных параметров, определяющих интенсивность процесса в смесительных аппаратах, является величина поверхности соприкосновения теплоносителей. Для увеличения этой поверхности поступающая в аппарат жидкость распыляется на мелкие капли с помощью специальных форсунок. К смесительным аппаратам относятся скрубберы, градирни, струйные теплообменники.
• Поверхностные теплообменные аппараты разделяются на регенеративные и рекуперативные. В регенеративных - теплота горячих газов сначала аккумулируется в теплоемкой насадке (кирпичах, керамической сыпучей массе, металлических листах, шарах). Затем передается нагреваемому газу (воздуху) путем его продувания через горячую насадку. Непрерывный процесс теплопередачи между теплоносителями осуществляется с помощью двух регенераторов: когда в одном из них происходит охлаждение горячего теплоносителя, в другом нагревается холодный теплоноситель. Затем аппараты переключаются с помощью клапанов, после чего в каждом из них процесс теплопередачи протекает в обратном направлении.
• В рекуперативных аппаратах теплота от горячего теплоносителя передается холодному через разделяющую стенку. К таким аппаратам относятся паровые котлы, подогреватели, конденсаторы.
• Кожухотрубные теплообменники состоят из пучка труб, концы которых закреплены в специальных трубных решетках. Пучок труб расположен внутри общего кожуха, причем один из теплоносителей движется по трубам, а другой -- в пространстве между кожухом и трубами (межтрубном пространстве). Движение жидкости в теплообменных аппаратах осуществляется по трем основным схемам: прямотока, противотока и перекрестного тока. В схеме прямотока горячая и холодная жидкость движутся параллельно в одном направлении, а в схеме противотока -- в противоположных направлениях. В схеме перекрестного тока движение одного теплоносителя перпендикулярно движению другого. На практике встречаются более сложные схемы, включающие различные комбинации основных схем.
• 2. Расчет аппарата
• Определяем расход теплоты и расход толуола. Примем индекс «1» для горячего теплоносителя (рассол) и «2» - для холодного (толуол). Найдем средние температуры толуола и рассола:
• °С
• °С
• Где t_cp - средняя разность температур при противотоке теплоносителей:
• К
• С учетом потерь холода в размере 5%, расход теплоты равен:
• Q=1.05*G₂c₂(t_2k-t_2н)=1.05*2*1717.9*(55-20)=126265.7 Вт;
• Расход рассола:
• кг/с
• где с1 =3016,7Дж/(кг*К) и с₂ =1717,9 Дж/(кг*К) - удельные теплоемкости рассола и толуола при t₁ =37,5°С и t₂ =54,9°С.
• Объемные расходы рассола и толуола:
• м³/с
• м³/с
• Где ?₁ =1210 кг/м ³ и ?₂ =847 кг/м ³ - плотность рассола и толуола.
• Определим ориентировочное значение площади поверхности теплообмена, полагая К_ор=250 Вт/(м²*К)
• м²
• Рассчитываем скорость течения рассола в трубах сечением 25х2 мм:
• м/с
• Где ?₁=0,00155 Па*с - вязкость рассола при температуре 55°С. Проходное сечение трубного пространства при это должно быть
• м²
• Рассмотрим кожухотрубчатый теплообменник диаметром 325 мм с трубами сечением 25х2 мм и длиной 3000 мм.
• Определим скорость и критерий Рейнольдса для рассола
• м/с
• Для толуола
• м/с
• а) Коэффициент теплоотдачи для рассола
• Вт/(м²*К)
• а) Коэффициент теплоотдачи для толуола
• Вт/(м²*К)
• Коэффициент теплопередачи
• Вт/(м²К)
• Поверхностная плотность теплового потока
• Вт/м²
• Определим ориентировочно t'_ct1 и t'_ct1. Найдем

• Площадь поверхности теплопередачи
• м²
• С запасом 10%
• F_p=17,9м²
• Площадь поверхности теплопередачи одного аппарата по среднему диаметру труб при длине
• L=3м:
• м²
• Число аппаратов
• Принимаем N=2 шт. Запас:
• Рассчитаем стоимость всей установки. Масса одного аппарата заданных габаритов =690 кг.
• Следовательно, масса всей установки 1380кг. Теплообменник изготовлен из стали марки Ст3, средняя цена за тонну которой 30000 рублей. Тогда:
• рублей
• Вывод
• Целью данной курсовой работы было подобрать теплообменник для охлаждения рассола. Были рассмотрены несколько вариантов подходящих по площади поверхности и по числу труб, обеспечивающих объёмный расход при турбулентном течении жидкости, теплообменников. Одноходовой теплообменник имеет недостаточную площадь поверхности теплообмена. Двухходовой является наиболее подходящим по площади и обеспечивает нужный режим движения теплоносителей.
• Таким образом, поставленная задача решается применением двухходового кожухотрубчатого теплообменника.
• Список используемой литературы