1

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки РФ

ФГАОУ ВПО Уральский Федеральный Университет

им. первого Президента России Ельцина Б.Н.

Кафедра "Машины и аппараты химических производств"

Дисциплина "Процессы и аппараты химических производств"

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

Теплообменник

Руководитель: Инюшкин Н.В.

Студент: Ашихмина М.А.

Екатеринбург 2012



ЗАДАНИЕ

Цель работы: рассчитать и спроектировать теплообменник:

1. Тип аппарата: выбрать (2-х-х)

2. Производительность аппарата: 75 м³/ч

А) По нагреваемой среде:

а) состав: Водный раствор Na₂CO₃ конц. 90% от насыщ. при 20?

б) начальная температура: 20?

в) конечная температура: на 5? ниже t_кип при 1,5 атм

г) давление: 1,5 атм.

Б) По охлаждаемой среде:

а) состав: насыщ. водный пар.

б) начальная температура: t_конд

в) конечная температура: t_конд

г) давление: 5 атм.



ВВЕДЕНИЕ

Перенос энергии в форме тепла, происходящий между телами, имеющими различную температуру, называется теплообменом. Движущей силой любого процесса теплообмена является разность температур более нагретого и менее нагретого тел, при наличии которой тепло самопроизвольно, в соответствии со вторым законом термодинамики, переходит от более нагретого к менее нагретому телу. Теплообмен между телами представляет обмен энергией между молекулами, атомами и свободными электронами; в результате теплообмена интенсивность движения частиц более нагретого тела снижается, а менее нагретого - возрастает.

Тела, участвующие в теплообмене, называются теплоносителями.

Теплопередача - наука о процессах распространения тепла. Законы теплопередачи лежат в основе тепловых процессов - нагревания, охлаждения, конденсации паров, выпаривания - и имеют большое значение для проведения многих массообменных (процессы перегонки, сушки и др.), а также химических процессов, протекающих с подводом или отводом тепла.

Различают три принципиально различных элементарных способа распространения тепла: теплопроводность, конвекцию и тепловое излучение.

Теплопроводность представляет собой перенос тепла вследствие беспорядочного (теплового) движения микрочастиц, непосредственно соприкасающихся друг с другом. Это движение может быть либо движением самих молекул (газы, капельные жидкости), либо колебанием атомов (в кристаллической решетке твердых тел), или диффузией свободных электронов (в металлах). В твердых телах теплопроводность является обычно основным видом распространения тепла.

Конвекцией называется перенос тепла вследствие движения и перемешивания макроскопических объемов газа или жидкости.

Перенос тепла возможен в условиях естественной, или свободной, конвекции, обусловленной разностью плотностей в различных точках объема жидкости (газа), возникающей вследствие разности температур в этих точках или в условиях вынужденной конвекции при принудительном движении всего объема жидкости, например в случае перемешивания ее мешалкой.

Тепловое излучение - это процесс распространения электромагнитных колебаний с различной длиной волн, обусловленный тепловым движением атомов или молекул излучающего тела. Все тела способны излучать энергию, которая поглощается другими телами и снова превращается в тепло. Таким образом, осуществляется лучистый теплообмен; он складывается из процессов лучеиспускания и лучепоглощения.

В реальных условиях тепло передается не каким-либо одним из указанных выше способов, а комбинированным путем. Например, при теплообмене между твердой стенкой и газовой средой тепло передается одновременно конвекцией, теплопроводностью и излучением. Перенос тепла от стенки к газообразной (жидкой) среде или обратном направлении называется теплоотдачей.

Еще более сложным является процесс передачи тепла от более нагретой к менее нагретой жидкости (газу) через разделяющую их поверхность или твердую стенку. Этот процесс носит название теплопередачи.

В процессе теплопередачи переносу тепла конвекцией сопутствуют теплопроводность и теплообмен излучением. Однако для конкретных условий преобладающим обычно является один из видов распространения тепла.

В непрерывно действующих аппаратах температуры в различных точках не изменяются во времени и протекающие процессы теплообмена являются установившимися (стационарными). В периодически действующих аппаратах, где температуры меняются во времени (при нагревании или охлаждении), осуществляются неустановившиеся, или нестационарные, процессы теплообмена.

Расчет теплообменной аппаратуры включает:

1. Определение теплового потока (тепловой нагрузки аппарата), то есть количества тепла , которое должно быть передано за определенное время (в непрерывно действующих аппаратах за 1сек или за 1ч, в периодически действующих - за одну операцию) от одного теплоносителя к другому. Тепловой поток вычисляется путем составления и решения тепловых балансов.

2. Определение поверхности теплообмена аппарата обеспечивающей передачу требуемого количества тепла в заданное время. Величина поверхности теплообмена определяется скоростью теплопередачи, зависящей от механизма передачи тепла - теплопроводностью, конвекцией, излучением и их сочетанием друг с другом. Поверхность теплообмена находят из основного уравнения теплопередачи.

кожухотрубчатый теплообменник температурный градиент



1. Теоретическая часть

1.1 Основы теплопередачи

1.1.1 Тепловые балансы

При расчете тепловых балансов необходимо знать удельные величины теплоемкости, энтальпии (теплосодержании), теплоты фазовых или химических превращений.

Удельная теплоемкость - это количество тепла, необходимого для нагревания (или охлаждения) 1кг вещества на 1град. В системе СИ количество тепла выражается в джоулях, то есть так же, как и количество механической энергии, а в технической системе в килокалориях:

1ккал=427кГ•м=427•9,81Н•м=4190Дж.

Следовательно,

с=1ккал/(кг•град)=4,19кДж/(кг•град).

Теплоемкость характеризует способность тела аккумулировать тепло.

Для газов, как известно, различают теплоемкость при постоянном объеме с_v и постоянном давлении с_р. Теплоемкость с_р включает в себя величину работы, которую совершает газ, расширяясь при нагревании на 1?С, с_v+RкДж/(кмоль•град), где универсальная газовая постоянная R=8,31 кДж/(кмоль•град).

В практике большинство процессов протекает при постоянном давлении, поэтому обычно приходится пользоваться значениями с_р. Значения с_р и с_v не зависят от давления, за исключением особо низких и высоких давлений.

Так как теплоемкость зависит от температуры, то различают истинную теплоемкость при данной температуре с и среднюю теплоемкость в некотором интервале температур:

,

где Q - количество теплоты, сообщаемое единице количества вещества при изменении те6мпературы от t₁ до t₂.

Теплоемкость твердых и жидких тел незначительно изменяется с изменением температуры. Теплоемкость газов существенно увеличивается с повышением температуры.

В практике тепловых расчетов, как правило, приходится пользоваться средними теплоемкостями. Если значение средней теплоемкости для данного интервала температур в справочных таблицах не приводится, то оно может быть вычислено из приближенного выражения зависимости истинной теплоемкости от температуры:

,

где а, б - где опытные величины.

Интегрируя это выражение в заданном интервале температур от t₁ до t₂ и деля полученный результат на общее изменение температуры, получаем величину средней теплоемкости:

или . [1,c.39]

Удельная энтальпия i (если все расчеты вести от 0?С) определяется количеством тепла, которое необходимо для нагрева 1 кг вещества от 0?С до заданной температуры:

.

В системе СИ удельная энтальпия i измеряется в дж/кг, а в технической системе в ккал/кг.

Удельная теплота фазовых или химических превращений r - это количество тепла, которое выделяется (или поглощается) при изменении агрегатного состояния или химическом превращении единицы массы вещества. В системе СИ величина r измеряется в дж/кг, а в технической системе в ккал/кг.

Теплота фазовых или химических превращений зависит от температуры. Для нахождения ее при какой-либо температуре (если она известна, например, при 0?С) пользуются обычным в термодинамике приемом кругового процесса. Проведем фазовое или химическое превращение при заданной температуре t и полученные продукты охладим от t до 0?С. Количество тепла Qґ, выделившегося при этом, в расчете на единицу массы вещества:

, [1,c.45]

где r_t - теплота превращений при t;

- сумма теплоемкостей продуктов превращения;

- сумма энтальпий продуктов превращения при t.

Проведем обратный процесс. Продукты превращения разложим да исходных веществ при температуре 0?С и исходные вещества нагреем до t.

Количество тепла Qґґ, поглощенного при этом:

,

где r_0? -теплота превращения при 0?С;

-сумма теплоемкостей исходных веществ;

- сумма энтальпий исходных веществ при t.

Круговой процесс по закону сохранения энергии не должен давать ни избытка, ни убыли тепла. Следовательно, Qґ должно быть равно Qґґ, откуда:

или . [1.c.45]

«Внутренний» метод составления теплового баланса (с использованием величин теплоемкости).

Рис.1

В непрерывно действующем теплообменнике (рис. 1.1.) осуществляется теплообмен между двумя текучими средами, разделенными теплопередающей перегородкой. В аппарат в 1ч поступает G₁ кг первой среды, температура которой изменяется от t_1н до t_1к, и G₂ кг второй среды с температурой, изменяющейся от t_2н до t_2к. Если t₁>t₂, то в процессе теплообмена первая среда охлаждается, а вторая нагреваетсяЕсли в процессе теплообмена не происходит добавочного выделения или поглощения теплоты в результате фазовых или химических превращений и нет тепловых потерь в окружающую среду, то количество тепла, переходящего от первой среды ко второй в единицу времени - тепловой поток, или тепловая нагрузка, - равно:

. [1, c.59]

В системе СИ тепловой поток измеряется в Вт, а в технической системе в ккал/ч: 1Вт=1дж/сек=3600/4190ккал/ч=0,86ккал/ч.

Если в процессе теплообмена происходят, например, в первой среде, фазовые или химические превращения (испарение жидкости, конденсация пара, плавление, химические реакции и т. п.), то уравнение теплового баланса перепишется в следующем виде:

[1, c.61]

где m - количество вещества, участвующего в превращении;

- теплоемкость продуктов превращения;

r_t - теплота превращения при температуре превращения t_1пр.

Расчеты тепловых балансов по «внутреннему» методу связаны с рядом неудобств. Прежде всего, нужно учитывать средние теплоемкости для данного интервала температур. В справочных же таблицах значения средних теплоемкостей приводятся обычно для интервала от 0?С до конечной температуры, указанной в таблицах. Поэтому для каждого случая значения средних теплоемкостей приходится вычислять специально из выражения зависимости истинной теплоемкости от температуры. Такое же неудобство встречается и при определении теплоты превращения. Ее также приходится каждый раз специально вычислять для заданной температуры процесса. Но еще сложнее обстоит дело с определением той температуры, при которой совершается данное превращение в аппарате. Эти превращения, как правило, проходят в растянутом интервале температур, и указание (назначение) какой-то одной определенной температуры для расчета величины r всегда вносит условность и неточность в расчет. Наконец, при наличии каких-либо превращений вещества необходимо учитывать изменение его теплоемкости до превращения с₁ и после превращения с_пр.

В связи с этими затруднениями получи распространение другой - «внешний» метод составления теплового баланса.

«Внешний» метод составления теплового баланса (с использованием величин удельных энтальпий). Тепловой баланс составляется исходя из того, что количество тепла Q₁, поступающего в аппарат за 1 ч с входящими средами, равно количеству тепла, уходящего со средами из аппарата за то же время:

, [1, c.61]

где i_1н, i_2н и i_1к, i_2к - энтальпии веществ, соответственно входящих в аппарат и выходящих из него.

В отличие от внутреннего метода составления теплового баланса, где рассматривается перераспределение тепла между теплообменивающимися средами в самом аппарате, в данном методе тепловой баланс составляется как бы по внешним показателям: до аппарата и после аппарата.

Из уравнения можно определить количество тепла Q, переданного от одной среды к другой, как разность энтальпий:

. [1, c.61]



При наличии фазовых или химических превращений в теплообменнике в первой среде уравнение теплового баланса запишется следующим образом:

, [1, c.62]

где i_пр - энтальпия продуктов превращения при температуре выхода из аппарата t_1к..

Количество тепла Q, переданного от одной среды к другой:

[1, c.62]

или

. [1,c.70]

Расчет теплового баланса по внешнему методу существенно упрощает вычислительную работу. Прежде всего, отпадает необходимость проводить расчет значений средних теплоемкостей, поскольку значения энтальпий веществ при любой температуре могут быть взяты непосредственно из справочных таблиц или термодинамических диаграмм (энтропийных или тепловых).

При наличии в аппарате химических или фазовых превращений можно не рассчитывать теплоту превращения при данной температуре, так как в этом методе расчета величина r должна браться всегда при 0?С, то есть непосредственно из справочных таблиц.



1.1.2 Основное уравнение теплопередачи

Общая кинетическая зависимость для процессов теплопередачи, выражающая связь между тепловым потоком Qґ и поверхностью теплообмена F, представляет собой основное уравнение теплопередачи:

, [3,c.168]

где К - коэффициент теплопередачи, определяющий среднюю скорость передачи тепла вдоль всей поверхности теплообмена;

?t_ср - средняя разность температур между теплоносителями, определяющая среднюю движущую силу процесса теплопередачи, или температурный напор;

ф - время.

Согласно уравнению (2.1.), количество тепла, передаваемое от более нагретого к более холодному теплоносителю, пропорционально поверхности теплообмена F, среднему температурному напору ?t_ср и времени ф.

Для непрерывных процессов теплообмена уравнение теплопередачи имеет вид:

. [3, c.168]

Из уравнения (2.1.) вытекают единица измерения и физический смысл коэффициента теплопередачи. Так, при F=1м², ?t_ср=1град и ф=1сек:

или при выражении Qґ в ккал/ч:

.

Таким образом, коэффициент теплопередачи показывает, какое количество тепла (в Дж) переходит в 1сек от более нагретого к более холодному теплоносителю через поверхность теплообмена 1м² при средней разности температур между теплоносителями, равной 1град.

Средний температурный напор зависит от характера изменения температур теплоносителей вдоль поверхности теплообмена.

1.1.3 Температурное поле и температурный градиент

К числу основных задач теории теплообмена относится установление зависимости между тепловым потоком и распределением температур в средах. Как известно, совокупность мгновенных значений любой величины во всех точках данной среды (тела) называется полем этой величины. Соответственно совокупность значений температур в данный момент времени для всех точек рассматриваемой среды называется температурным полем.

В наиболее общем случае температура в данной точке t зависит от координат точки (x, y, z) и изменяется во времени ф, т. е. температурное поле выражается функцией вида:

Эта зависимость представляет собой уравнение неустановившегося (нестационарного) движения температурного поля.

В частном случае температура является функцией только пространственных координат

и температурное поле - установившимся (стационарным).

В отличие от температуры, которая является скаляром, тепловой поток, связанный с направлением переноса тепла, представляет собой векторную величину.

Если рассечь плоскостью и соединить точки, лежащие в этой плоскости и имеющие одинаковые температуры, то получим линии постоянных температур (изотермы). В пространстве геометрическое место точек с одинаковыми температурами представляет собой изотермическую поверхность. Такие поверхности иногда не пересекаются между собой, так как в противном случае в точке их пересечения температура в данный момент времени имела бы два различных значения, что невозможно.

Рис. 2

Разность температур между двумя близлежащими изотермическими поверхностями составляет ?t (Рис. 2.1) . Кратчайшим расстоянием между этими поверхностями является расстояние ?n. При сближении указанных поверхностей отношение ?t/?n стремится к пределу:

Производная температуры по нормали к изотермической поверхности называется температурным градиентом. Этот градиент является вектором, направление которого соответствует повышению температуры. Значение температурного градиента определяет наибольшую скорость изменения температуры в данной точке температурного поля.

Поток тепла может возникнуть только при условии, что температурный градиент не равен нулю (grad t?0). Перемещение тепла всегда происходит по линии температурного градиента, но направлено в сторону, противоположную этому градиенту. Таким образом, перенос тепла происходит в направлении падения температуры и пропорционален температурному градиенту с обратным знаком, т. е. количество тепла, передаваемое через единицу поверхности в единицу времени g~(-dt/dn).

1.1.4 Коэффициент теплопередачи

Наиболее часто в химической технологии встречается передача тепла от одной текучей среды к другой через разделяющую их стенку

Рис. 3

Передача тепла от одной среды к другой складывается их трех стадий, и для установившегося процесса тепловой поток в направлении теплоперехода остается постоянным.

Тепловой поток от первой среды к стенке:

; [3, c. 149]

через стенку:

; [3, c.149]

от стенки ко второй среде:

. [3, c.149]

Совместное решение уравнений и дает:

[3, c.168]

Как видно из уравнения (4.4), в него вошли температуры стенки t_ст1 и t_ст2. Это подтверждает высказанное положение: температура стенки сама устанавливается в соответствии с условиями теплопередачи.

Когда требуется знать температуру стенки, например, при расчете термических напряжений в металле, ее можно найти из тех же уравнений. Определив тепловой поток Q из уравнения (4.4), подставляют его значения в уравнения и находят t_ст1 и t_ст2.

Температура стенки по расчету, да и по самому фактическому смыслу, всегда будет более близка к температуре той среды, б которой больше.

В уравнении величина

[3, c.168]



называется коэффициентом теплопередачи. В системе СИ этот коэффициент имеет размерность Вт/(м²*град), а в технической системе ккал/(ч* м²*град).

Коэффициент теплопередачи показывает, какое количество тепла в единицу времени (т.е. тепловой поток) передается от одной текучей среды к другой через единицу поверхности разделяющей их стенки при разности температур между средами в 1 град.

1.1.5 Средняя разность температур

В основу расчета требуемой поверхности теплообмена F для передачи заданного тепловым балансом количество тепла в единицу времени Q.

Рис. 4

Температура каждой из теплообменивающихся сред t₁ и t₂ редко остается постоянной на протяжении всей поверхности теплообмена. Такие случаи встречаются лишь при конденсации пара и кипении жидкости, например, в выпарных аппаратах.

В подавляющей большинстве случаев температуры сред в процессе теплопередачи будут изменяться в результате происходящего теплообмена, а следовательно, будет изменяться и разность температур (t₁-t₂) вдоль поверхности теплообмена. тому при определении этой поверхности по уравнению необходимо рассчитывать среднюю по длине аппарата разность температур ?t_ср, т.е. уравнение запишется в виде:

. [3, c.168]

Как показано на Рис. 4.2. разность температур в начале аппарата ?t_н=t_1н-t_2н, а в конце ?t_к=t_1к-t_2к. Для всего теплообменника в качестве средней разности температур, казалось бы, можно принять среднюю арифметическую величину:

?t_ср =.

Подобный расчет был бы точным, если бы температуры сред изменялись прямолинейно вдоль теплопередающей поверхности (пунктирные линии на рис. 4.). В действительности же имеет место криволинейный характер изменения температур вдоль теплопередающей поверхности.

Количество передаваемого тепла в единицу времени пропорционально разности температур, поэтому темп сближения температур сред на каждом последующем участке меньше, чем на предыдущем. Следствием этого является изменение температурных сред (или одной среды, если температура второй остается постоянной) по кривым линиям. Точное значение средней разности температур находится интегрированием этого криволинейного изменения.

Для прямотока уравнение (4.6.) примет вид:

. [3, c.149]

Конечное уравнение для противотока принимает вид:

[3, c.149]

Уменьшаемым обычно берут разность температур на том конце теплообменника, где она больше:

. [3, c.149]

В тех случаях, когда в теплообменнике имеет место небольшое изменение температур и <2, криволинейный ход температурных кривых может быть с достаточной степенью точности принят за прямолинейный, и средняя разность температур может вычисляться как средняя арифметическая.

Из сравнения передачи тепла при прямотоке и противотоке видно, что противоток является более выгодным приемом. так как обеспечивает большую полноту процесса. Действительно, в теплообменнике при противотоке холодную среду можно нагреть до температуры горячей среды на входе ее в аппарат, тогда как при прямотоке холодная среда может нагреться только до температуры выходящей, т.е. уже охлажденной среды. То же самое будет иметь место и в отношении глубины охлаждения горячей среды.

Противоточный теплообмен оказывается лучше и по скорости процесса. Действительно, если подсчитать величину средней логарифмической разности температур при прямоточном и противоточном процессе для одних и тех же заданных t_1н, t_2н, t_1к, t_2к (это необходимо для относительного сравнения), то величина ?t_ср противотока всегда будет больше величины ?t_ср прямотока и разница будет тем больше, чем более высокая полнота теплообмена задана.

1.2 Виды теплообменников

Теплообменник, теплообменный аппарат - устройство, в котором осуществляется передача теплоты от горячего теплоносителя к холодному (нагреваемому). Теплоносителями могут быть газы, пары, жидкости. В зависимости от назначения теплообменные аппараты используют как нагреватели и как охладители. Применяется в технологических процессах нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической, газовой и других отраслях промышленности, в энергетике и коммунальном хозяйстве.

В промышленности применяются теплообменники типа: «труба в трубе», кожухотрубчатые, пластинчатые, спиральные и блочные графитовые теплообменники.

1.2.1. Кожухотрубчатые теплообменники

Основными элементами кожухотрубчатых теплообменников являются пучки труб, трубные решетки, корпус, крышки, патрубки. Концы труб крепятся в трубных решетках развальцовкой, сваркой и пайкой.

Рис. 5. Кожухотрубчатый теплообменник

Для увеличения скорости движения теплоносителей с целью интенсификации теплообмена нередко устанавливают перегородки как и трубном, так и межтрубном пространствах.

Кожухотрубчатые теплообменники могут быть вертикальными, горизонтальными и наклонными в соответствии с требованиями технологического процесса или удобства монтажа. В зависимости от величины температурных удлинений трубок и корпуса применяют кожухотрубчатые теплообменники жесткий, полужесткой и нежесткой конструкции.

Аппараты жесткой конструкции используют при сравнительно небольших разностях температур корпуса и пучка труб; эти теплообменники отличаются простотой устройства.

В кожухотрубчатых теплообменниках нежесткой конструкции предусматривается возможность некоторого независимого перемещения теплообменных труб и корпуса для устранения дополнительных напряжений от температурных удлинений.

Нежесткость конструкции обеспечивается сальниковым уплотнением на патрубке или корпусе, пучком U-образных труб, подвижной трубной решеткой закрытого и открытого типа.

В аппаратах полужесткой конструкции температурные деформации компенсируются осевым сжатием или расширением специальных компенсаторов, установленных па корпусе. Полужесткая конструкция надежно обеспечивает компенсацию температурных деформаций, если они не превышают 10-15 мм, а условное давление в межтрубном пространстве составляет не более 2,5 кгс/см².

1.2.2 Теплообменник типа «труба в трубе»

Теплообменники этого типа состоят из ряда последовательно соединенных звеньев. Каждое звено представляет собой две соосные трубы. Для удобства чистки и замены внутренние трубы обычно соединяют между собой «калачами» или коленами. Двухтрубные теплообменники, имеющие значительную поверхность нагрева, состоят из ряда секций, параллельно соединенных коллекторами. Если одним из теплоносителей является насыщенный пар, то его, как правило, направляют в межтрубное (кольцевое) пространство. Такие теплообменники часто применяют как жидкостные или газожидкостные. Подбором диаметров внутренней и наружной труб можно обеспечить обеим рабочим средам, участвующим в теплообмене, необходимую скорость для достижения высокой интенсивности теплообмена.

Преимущества двухтрубного теплообменника: высокий коэффициент теплоотдачи, пригодность для нагрева или охлаждения сред при высоком давлении, простота изготовления, монтажа и обслуживания.

Недостатки двухтрубного теплообменника - громоздкость, высокая стоимость вследствие большого расхода металла на наружные трубы, не участвующие в теплообмене, сложность очистки кольцевого пространства.

Рис. 6. Двухтрубный теплообменник типа “труба в трубе”

1.2.3 Пластинчатые

В последнее время распространены пластинчатые разборные теплообменники, отличающиеся интенсивным теплообменом, простотой изготовления, компактностью, малыми гидравлическими сопротивлениями, удобством монтажа и очистки от загрязнений.

Эти теплообменники состоят из отдельных пластин, разделенных резиновыми прокладками, двух концевых камер, рамы и стяжных болтов. Пластины штампуют из тонколистовой стали (толщина 0,7 мм). Для увеличения поверхности теплообмена и турбулизации потока теплоносителя проточную часть пластин выполняют гофрированной или ребристой, причем гофры могут быть горизонтальными или расположены “в елку” (шаг гофр 11,5; 22,5; 30 мм; высота 4-7 мм).

К пластинам приклеивают резиновые прокладки круглой и специальной формы для герметизации конструкции; теплоноситель направляют либо вдоль пластины, либо через отверстие в следующий канал.

Движение теплоносителей в пластинчатых теплообменниках может осуществляться прямотоком, противотоком и по смешанной схеме. Поверхность теплообмена одного аппарата может изменяться от 1 до 160 м², число пластин - от 7 до 303.

В пластинчатых теплообменниках температура теплоносителя ограничивается 150°С (с учетом свойств резиновой прокладки), давление не должно превышать 10 кгс/см².

Рис. 7. Пластинчатый теплообменник

1.2.4 Спиральные

В спиральных теплообменниках поверхность нагрева образуется двумя тонкими металлическими листами, приваренными к разделительной перегородке (керну) и свернутыми в виде спиралей. Для придания листам жесткости и прочности, а также для фиксирования расстояния между спиралями к листам с обеих сторон приварены дистанционные бобышки. Спиральные каналы прямоугольного сечения ограничиваются торцовыми крышками. Уплотнение каналов в спиральных теплообменниках осуществляют различными способами. Наиболее распространен способ, при котором каждый канал с одной стороны заваривают, а с другой уплотняют плоской прокладкой. При этом предотвращается смешение теплоносителей, а в случае неплотности прокладки наружу может просачиваться только один из теплоносителей. Кроме того, такой способ уплотнения дает возможность легко чистить каналы.

Если материал прокладки разрушается одним из теплоносителей, то один канал заваривают с обеих сторон (“глухой” канал), а другой уплотняют плоской прокладкой. При этом “глухой" канал недоступен для механической очистки.

Уплотнение плоской прокладкой обоих открытых (сквозных) каналов применяют лишь в тех случаях, когда смешение рабочих сред (при нарушении герметичности) безопасно и не вызывает порчи теплоносителей.

Сквозные каналы также можно уплотнить, при более или менее постоянном давлении в каналах, спиральными U-образными манжетами, прижимаемыми силой внутреннего давления к выступам в крышке.

Спиральные теплообменники отличаются компактностью, малыми гидравлическими сопротивлениями и значительной интенсивностью теплообмена при повышенных скоростях теплоносителей.

Недостатки спиральных теплообменников - сложность изготовления и ремонта, невозможность применения их при давлении рабочих сред свыше 10 кгс/см².

Рис. 8. ? Спиральный теплообменник

2. Расчетная часть

А) Водный раствор Na₂CO₃ конц. 90%. В) Водяной пар

t_н = 20 ?С Р = 5 атм.

t_к = 106 ?С t_н = 151,1 ?С

Р = 1,5 атм. t_к = 151,1 ?С

µ_сред. = 1,08 мПа·с

t_ср. =

.

С_р-р = 4190·(1 - x) + с_1·х = 4190·(1 - 0,1) + 1225·0,1 = 3893,5

G = V· = 0,021·1089 = 22,87 .

Решение:

1. Определим тепловую нагрузку.

Q= 22,87·3893,5·(106 - 20) = 7657813 Вт.

2. Температурная схема.

t_ср. = = = 80,7 .

Выход пара:

= 3,63 .

3.

4. Принимаем ориентировочное значение Re_ор в трубах. Re_ор=15000, значит движение турбулентное.

· Для труб 20Ч2 мм

= 112,4

· Для труб 25Ч2 мм

= 85,6

5. Примем ориентировочное значение теплопередачи К_ор =1200

F_ор = = = 79,1 м².

6. Уточненный расчет:

7.

(81) 1к: D = 600; d = 25Ч2; z=1; n = 257; h = 4 м. = = 257.

(79) 2к: D = 600; d = 20Ч2; z=6; n = 316; h = 4 м. = = 52,67.

(80) 3к: D = 600; d = 20Ч2; z=4; n = 638; h = 2 м. = = 159,5.

8. Уточненный расчет поверхности теплообменника:

1к: Re = = 6560

Pr = = 7,41

Отношение (с послед. проверкой)

Nu = 0,021

=

=

Проверяем принятое значение

q = к·= 711,3·80,7 = 57401,9

с = 4021 ; ;

=

=

=

= =116,7

2к: Re = = 32010

Pr = = 7,41

Отношение (с послед. проверкой)

Nu = 0,021

=

=

=

Проверяем принятое значение

q = к·= 1543,4·80,7 = 124552

с =3956 ; ;

= 2,9

= 1,26 (пересчет не требуется

= =61,5

3к: Re = = 10570

Pr = = 7,41

Отношение (с послед. проверкой)

Nu = 0,021

=

= 2172

=

Проверяем принятое значение

q = к·= 1141,9·80,7 = 92151

с =3998 ; ;

= 2,18

= 1,36

=

=

=

= = 81

Наиболее подходящий теплообменник это 3к так как 1к имеет очень большие размеры, 2к имеет большое число Re в трубах, значит будет иметь большое гидравлическое сопротивление. В свою очередь 3к имеет небольшие размеры и малое гидравлическое сопротивление.

9. Расчет гидравлического сопротивления.

щ_тр = = 2,61

0,031, по табл. 27 х = 4.

= 11528,6 Па.

По табл. 26 d_{у шт} = 250 мм условный проход штуцера

V = 0,785 d²·щ_{тр ш}

Па

= 5671,7

V = 0,785 d²·щ_{тр ш} ; = 1,38

= 8,1



Экономическая оценка

Для всех теплообменников выбираем сталь 08Ч13, так как она дешевле, коррозионно-стойкая, жаропрочная.

Трубы 08Ч13 примем цену за 1 тонну металла равную 88000 рублей.

Вариант 1к: m = 2410 кг, стоимость материала равна 212080 рублей.

Вариант 2к: m = 3500 кг, стоимость материала равна 308000 рублей.

Вариант 3к: m = 2750 кг, стоимость материала равна 242000 рублей.

Значит наиболее оптимальный теплообменник вариант 3к, как по цене на материал, так и по гидравлическим сопротивлениям.



ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Рассмотрены теоретически виды теплопередач, рассмотрены различные теплообменники и области их применения. Рассмотрены внешний и внутренний методы составления тепловых балансов, основное уравнение теплопередачи, температурное поле и температурный градиент.

Был произведён технологический расчёт теплообменника рассчитано и гидравлическое сопротивление аппарата, подведена экономическая оценка. Исходя из полученных технологических расчётов спроектирован кожухотрубчатый теплообменник и разработан чертёж рассматриваемого аппарата.

В ходе расчетов был выбран кожухотрубчатый теплообменник с параметрами:

· D = 600;

· d = 20Ч2;

· z=4;

· n = 638;

· h = 2 м



БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Процессы и аппараты химической технологии [Текст] : курс лекций / Я. Д. Авербух, Ф. П. Заостровский, Л. Н. Матусевич ; под ред. К. Н. Шабалина ; М-во высш. и сред. спец. образования РСФСР, Урал. политехн. ин-т им. С. М. Кирова. - Изд 2-е, перераб. - Свердловск : [б. и.], 1973 .Ч. 2 : Теплообменные и массообменные процессы. - [Б. м.] : УПИ, 1973. - 427 с. : ил. - Библиогр. в конце глав. - Б. ц.

2. Основные процессы и аппараты химической технологии [Текст] : [Учеб.] / А. Г. Касаткин. - 8-е изд.,перераб. - М. : Химия, 1971. - 784 с. : ил. - ISBN ...(в пер.).

Библиогр.:с.759-762. Предм.указ.:с.763-784

3. Павлов К. Ф., Романков П. Г., Носков А. А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Учебное пособие для вузов / Под ред. чл.-корр. АН СССР П. Г. Романкова. - 10-е изд., перераб. и доп. - Л.: Химия, 1987. - 576 с., ил.

4. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие поп проектированию/Г.С. Борисов, В.П. Брыков, Ю.И. Дытнерский и др. Под ред. Ю.И. Дытнерского, 2-е изд., перераб. и дополн. М.: Химия, 1991. - 496 с

Размещено на Allbest.ru

...