Тепловой расчет аппарата

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Цель расчета

2. Данные для расчета

3. Тепловой расчет аппарата

3.1 Тепловая нагрузка аппарата

3.2 Расчет средних температур теплоносителей и средней разности температур

3.3 Определение температур стенок

3.4 Определение поверхности теплообмена

4. Конструктивный расчет теплообменника

4.1 Определение числа труб и числа ходов в трубном пространстве

4.2 Расчет внутреннего диаметра корпуса

4.3 Расчет диаметров патрубков

5. Гидравлический расчет

6. Прочностной расчет

7. Расчет тепловой изоляции

Заключение

Список литературы

Приложение

Введение

Теплообменная аппаратура широко применяется в химической технологии в различных процессах нагревания, охлаждения растворов, жидкостей, конденсации пара, испарения жидкости.

При проектировании и конструировании теплообменных аппаратов необходимо в максимально возможной степени удовлетворить многосторонние и часто противоречивые требования, предъявляемые к теплообменникам. Основные из них: соблюдение условий протекания технологического процесса; возможно более высокий коэффициент теплопередачи; низкое гидравлическое сопротивление аппарата; устойчивость теплообменных поверхностей против коррозии; доступность поверхности теплопередачи для чистки; технологичность конструкции с точки зрения ее изготовления; экономное использование материалов.

Кожухотрубчатые теплообменники в настоящее время являются самыми распространенными теплообменными аппаратами. Они обеспечивают высокую теплопроизводительность, достаточно просты в изготовлении, отличаются возможностью развивать большую поверхность теплообмена в одном аппарате, надежны в работе. Наиболее целесообразно применение кожухотрубчатых теплообменников для парожидкостного теплообмена. С целью увеличения скорости движения теплоносителя и интенсификации теплообмена в теплообменнике устанавливают перегородки в трубном или межтрубном пространствах, т.е. выполняют теплообменники многоходовыми.

Целью данной работы является расчет кожухотрубчатого парожидкостного теплообменника.

1. Цель расчета

Целью расчета является закрепление теоретических выводов и расчетно-практических рекомендаций по курсу «Процессы и аппараты химической технологии» и их приложение к конкретному расчету кожухотрубчатого теплообменника.

температура корпус теплоноситель

2. Данные для расчета

Исходные данные приведены в таблице 1.

Таблица 1 Исходные данные

1 Конденсирующийся насыщенный пар	Бензол
2 Давление пара, МПа	0,1
3 Жидкость - раствор	Вода
4 Производительность по пару, кг/с	0,6
5 Начальная температура жидкости,	12
6 Конечная температура жидкости,	45

3. Тепловой расчет аппарата

Целью теплового расчета теплообменного аппарата является определение из теплового баланса тепловой нагрузки, истинного коэффициента теплопередачи и поверхности теплообмена.

3.1 Тепловая нагрузка аппарата

Тепловую нагрузку аппарата определяем из уравнения теплового баланса по формуле [3, с. 11]:

, Вт, (1)

где D - расход пара, кг/с;

iП - энтальпия насыщенного пара, Дж/кг;

где iK - энтальпия конденсата, Дж/кг;

r - удельная теплота парообразования или конденсации, Дж/кг;

П - коэффициент полезного использования тепла в аппарате;

GII - массовый расход жидкости второго теплоносителя, кг/с;

СII - удельная теплоемкость жидкости, Дж/(кг•К);

t2K - конечная температура жидкости;

t2H - начальная температура жидкости.

Находим температуру кипения бензола, равную температуре конденсации, и удельную температуру парообразования r [2, с. 524]:



Удельная теплота парообразования [5, с. 815]:

3.2 Расчет средних температур теплоносителей и средней разности температур

В случае конденсации пара в теплообменнике средняя температура первого (горячего) теплоносителя равна температуре конденсации пара.

Среднюю разность температур между теплоносителями определяем по формуле:

так как

Отсюда

Кроме того, среднюю разность температур между теплоносителями можно определить по формуле:

где - средняя температура первого теплоносителя;

- средняя температура второго теплоносителя.

Тогда

Удельная теплоемкость воды [5, с. 808]:

Тогда по формуле (1) определим тепловую нагрузку:

Также из формулы (1) найдем массовый расход жидкости:

.

3.3 Определение температур стенок

Задаемся рядом значений

Тогда

Рассчитываем для каждой tст1 коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенке по формуле [3, с. 15]:

(2)

где - коэффициент теплопроводности конденсата, Вт/(м К);

- плотность конденсата, кг/м3;

r - удельная теплота конденсации, Дж/кг;

g - ускорение свободного падения, м/с2;

- динамический коэффициент вязкости, Пас;

Н - высота труб, Н = 2м;

tст1 - температура стенки, С.

Определяем значения для бензола при температуре конденсации [5, с. 804, 806, 810]:

Подставив в формулу (2) численные значения, получим:

Определяем удельный тепловой поток из уравнения теплоотдачи по формуле:

(3)

Подставив численные значения в формулу (3), получим:

Определим ряд значений температуры стенки со стороны нагреваемой жидкости (воды) по формуле [3, с. 22]:

 (4)

где - толщина стенки трубок, (для трубы ) [3, с.32];

- коэффициент теплопроводности материала трубок, [2, с. 512];

Подставив в формулу (4) численные значения, получим:

Рассчитаем коэффициент теплоотдачи от стенки к жидкости. Коэффициент теплоотдачи входит в критерий Нуссельта [3, с. 17]:

, (5)

где Nu - критерий Нуссельта; II - коэффициент теплоотдачи, Вт/м2К; l - определяющий геометрический размер, l = 0,021 м; - коэффициент теплопроводности жидкости, Вт/мК.

Выразим из уравнения (5) коэффициент теплоотдачи II:

(6)

Режим движения характеризуется значением критерия Рейнольдса, который определяется по формуле [3, с. 17]:

где Re - критерий Рейнольдса;

w - скорость движения жидкости, м/с;

- динамический коэффициент вязкости;

- плотность раствора воды.

В случае турбулентного режима движения жидкости (Re > 10000) критерий Нуссельта определяется по уравнению [3, с. 17]:

, (7)

где l - поправочный коэффициент, учитывающий влияние на коэффициент теплоотдачи отношение длины труб теплообменника к их диаметру, при ;

Pr - критерий Прандтля при средней температуре воды;

Prст - критерий Прандтля при температуре стенки, равный [3, с. 18]:

,

где с - удельная теплоемкость жидкости;

- динамический коэффициент вязкости жидкости;

- коэффициент теплопроводности жидкости.

Определяем значения критерия Прандтля для воды по [2, c.586]:

По формуле (7) рассчитываем критерий Нуссельта:

По формуле (6) рассчитываем коэффициент теплоотдачи от стенки к жидкости:

Определим удельный тепловой поток из уравнения теплоотдачи по формуле [3, с. 22]:

или, подставив численные значения, получим:

3.4 Определение поверхности теплообмена

Определим истинное значение удельного теплового потока. Для этого построим график зависимости удельных тепловых потоков qI и qII от температуры стенки tст1.



Рисунок 1 Зависимость qI и qII от tст1

Ордината точки пересечения кривых соответствует истинному значению теплового потока, а абсцисса - истинное значение температуры стенки:

qист=31,0•103 , tcт1 ист = 42 С.

Определим истинное значение коэффициентов теплоотдачи [3, с. 23]:

(8)

Из формулы (8) найдем:

По формуле (4) вычисляем истинное значение температуры стенки:

Вычисляем истинное значение коэффициента теплоотдачи:

Вычисляем истинное значение коэффициента теплопередачи:

Определяем поверхность теплообмена

4. Конструктивный расчет теплообменника

4.1 Определение числа труб и числа ходов в трубном пространстве

Определим число труб по формуле [3, с. 31]:

, (9)

где n - число труб;

dP - расчетный диаметр трубы, равный

l - длина труб, м.

Подставив в формулу (9) численные значения, получим:

Принимаем ближайшее стандартное значение n = 37.

Определим число труб одного хода в трубном пространстве по формуле [3, с. 31]:

где V - объемный расход теплоносителя, м2/с; - число труб в одном ходе; dвн - внутренний диаметр труб, м; w - скорость движения теплоносителя, м/с. Определим скорость теплоносителя из принятого в тепловом расчете значения критерия Рейнольдса по формуле:

Тогда объёмный расход теплоносителя:

V =

а число труб одного хода в трубном пространстве:

Найдем число ходов zТР в трубном пространстве по формуле:

Принимаем zтр = 6.

4.2 Расчет внутреннего диаметра корпуса

Внутренний диаметр корпуса зависит от диаметра, шага, числа труб и схемы размещения в трубном пучке. Расстояние между осями труб - шаг зависит от наружного диаметра [3, с. 33]:

t = (1,2 - 1,4) • dH, м

или подставив численные значения, получим:

t = (1,2 - 1,4) • 0,038 = 0,0456 - 0,0532 м.

Диаметр корпуса многоходового теплообменника рассчитываем по формуле [3, с. 33]:

где =0,6 - 0,8 - коэффициент заполнения трубной решетки.

Тогда

Принимаем ближайшее стандартное значение D0 = 600 мм.

4.3 Расчет диаметров патрубков

Диаметр патрубков зависит от объемного расхода и скорости движения теплоносителя и определяется из уравнения расхода [3, с. 35]:

,

Диаметр входного патрубка для насыщенного пара при w = 15 м/с [3, с. 35]:

где (определяется по уравнению Менделеева - Клапейрона).

Тогда

Диаметр патрубка для удаления конденсата пара:

Диаметр патрубка для подачи воды:

Диаметр патрубка для удаления воды:

Подбираем соответствующий штуцер со стальными плоскими приварными фланцами с соединительным выступом. Основные размеры ГОСТ 26 - 1404 - 76 представлены в таблице 2.

Таблица 2 Основные размеры штуцеров

Dy	dт	Sт	Нт
150	159	6	155
80	89	4	155
80	89	4	155

Подобраны фланцы по ГОСТ 1255 - 67 со следующими размерами, которые сведены в таблице 3.

Таблица 3 Основные размеры фланцев

py	Dy	D4	Dф	Dб	D1	z	h	d
?0,25	150	161	260	255	202	8	13	18
?0,25	80	91	185	150	128	4	11	18

Подобран фланец для обечайки по ГОСТ 1255 - 67 со следующими размерами, которые сведены в таблице 4.

Таблица 4 Основные размеры фланца для обечайки

py	Dy	D4	Dф	Dб	D1	z	h	d
?0,25	400	426	535	495	465	16	18	23

Были выбраны эллиптические отбортованные стальные с наружными базовыми размерами днища (ГОСТ 6533 - 78).

Таблица 5 Характеристики днища

Dн	НД	Hу	SД
426	106	25	4



Рисунок 2 Штуцер с фланцем

5. Гидравлический расчет

Гидравлическое сопротивление для трубного пространства теплообменного аппарата определяется по формуле [3, с. 36]:

(10)

где Р - потеря давления на трение и преодоление местных сопротивлений, Па;

- коэффициент трения;

Zтр - число ходов по трубному пространству;

L - длина трубок, м;

dвн - внутренний диаметр трубок, м;

- сумма коэффициентов местных сопротивлений,

- плотность теплоносителя, кг/м3;

w - скорость движения теплоносителя, м/с.

Значение коэффициента гидравлического трения рассчитываем по формуле:

,

где - относительная шероховатость труб (е - средняя высота выступа на стенках трубы, равная для стальных цельнотянутых и сварных труб при незначительной коррозии - 0,2 мм).

Тогда

Подставив в формулу (10) численные значения, получаем:

Мощность, потребляемая насосом, рассчитывается по формуле [3, с. 37]:

где N - мощность насоса, Вт;

V - объемный расход теплоносителя, м3/с;

- полная потеря напора, Па;

- общий к.п.д. насосной установки, = 0,7 - 0,8.

Тогда

По рекомендациям [2,c.92] подбираем насос марки Х2/25, тип электродвигателя АОЛ-12-2 (Nдвиг=1,1кВт, n=50 об/с).

6. Прочностной расчет

Рассчитаем толщину стенки по формуле:

где р - давление пара;

D - внутренний диаметр корпуса;

- допускаемое напряжение, при 80,2 єС =135,5 МПа;

- коэффициент прочности продольного шва обечайки, =1.

Принимаем S = 4 мм.

Допускаемое внутреннее избыточное давление вычисляем по формуле:

Так как (0,23 ? 0,1 МПа), то прочность обеспечена.

7. Расчет тепловой изоляции

Определяем потери тепла в окружающую среду без учета изоляции [4, с. 5, с. 18]:

где F - площадь поверхности теплоотдачи,

Тогда

Определяем потери тепла с учетом изоляции [4, с. 21]:

где - суммарный коэффициент теплоотдачи конвекцией и лучеиспусканием, Вт/(м2•К);

Для расчета применим формулу Линчевского [4, с. 23]:

= 9,74 + 0,07(tиз - tвозд),

= 9,74 + 0,07*(40 - 20) = 11,14 Вт/(м2К),

тогда:

Толщину изоляции определяем по формуле:

,

где из - коэффициент теплопроводности материала изоляции.

В качестве изоляции применим асбестовую ткань АТ ГОСТ (6102-78), для которой

= А + Вt,

где А = 0,124;

В = 22 • 10-5;

t = (tконд - tизол);

из = 0,124 + 22 10-5 (80,2 - 40)= 0,133Вт/(м К),Вт/(м К),

тогда:

Следовательно, за счет изоляции потери тепла сократятся в 14,63 раз.

Толщина слоя изоляции равна:

Заключение

В результате расчета теплообменного аппарата были установлены:

1) его тепловая нагрузка = 225,168 кВт;

2) массовый расход жидкости G, равный 1,63 кг/с;

3) поверхность теплообмена F=7,26 м2;

4) диаметр аппарата D0 = 400 мм;

5) количество трубок 37;

6) число ходов zтр = 6.

А также проведены гидравлический, прочностной расчет и расчет тепловой изоляции.

Литература

1. Лащинский А. А. Конструирование сварных химических аппаратов. Справочник. - Л.: Машиностроение, 1981.

2. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. - Л.: Химия, 1981 г.

3. Пищулин В.П. Расчет кожухотрубчатого теплообменника: Руководство для студентов. - Томск: Отделение №1 ТПУ, 1992.

4. Пищулин В.П., Зарипова Л.Ф. Расчет потерь тепла в окружающую среду / Учебное пособие. - Северск: СТИ ТПУ, 2000.

5. Плановский А.Н., Рамм В.М., Каган С.З. Процессы и аппараты химических технологий. - М.: Госхимздат, 1962.

6. Сосуды и аппараты / Нормы и методы расчета на прочность. М.: Издательство стандартов, 1980.

Приложение А

Эскиз кожухотрубчатого теплообменного аппарата

Рисунок А1 Эскиз кожухотрубчатого теплообменного аппарата

Размещено на Allbest.ru

...