Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФГАОУ ВПО «Уральский Федеральный Университет

имени первого Президента России Б. Н. Ельцина»

Кафедра «Процессы и аппараты химической технологии»

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

«Расчёт и проектирование теплообменного аппарата»

Пояснительная записка.

Руководитель: Ермаков С.А.

Студентка: Архипова А.М.

Группа: Х-400702

Екатеринбург 2013



Содержание

1. Аннотация

2. Задание

3. Введение

4. Сущность процесса теплопередачи

5. Расчеты

5.1 Общая часть

5.2 Наметим варианты теплообменных аппаратов

5.2.1 Вариант 1. Кожухотрубчатый теплообменник

5.2.2 Вариант 2 Расчет теплообменника «Труба в трубе»

6. Выводы

7. Приложение

8. Используемая литература



1. Аннотация

Целью данного курсового проекта является расчет и выбор оптимального нормализованного теплообменного аппарата. Для осуществления этой цели приведена сравнительная характеристика двух типов аппаратов: типа «труба в трубе» и кожухотрубчатого теплообменных аппаратов (отличающихся гидродинамическим режимом теплоносителей).

Кратко описаны сущность и назначение процесса теплопередачи в химической технологии. При выборе теплообменного аппарата в качестве критериев оптимальности были приняты различные параметры: габариты аппаратов, их стоимость, масса, которые позволили подобрать наилучший вариант среди аппаратов различных конструкций.



2. Задание

Рассчитать и спроектировать теплообменник по следующим данным:

Производительность аппарата:

1. По нагреваемой среде:

а) Среда - вода;

б) Начальная температура - 25°С;

в) Конечная температура - 50°С;

2. По охлаждаемой среде:0,5 кг/с

а) Среда - вода;

б) Начальная температура - 90°С;

в) Конечная температура - 20°С.

Представить:

Пояснительную записку: аннотация, задание, введение, выбор типа и конструкции, краткая характеристика и схема аппарата, материальные и тепловые расчеты, определение конструктивных размеров, заключение, список используемой литературы.

Графические документы (чертежи общего вида, узлов, деталей).

Пояснительная записка и графические документы должны отвечать требованиям ЕСКД.



3. Введение

В химической промышленности осуществляются разнообразные процессы, в которых исходные материалы в результате химического взаимодействия претерпевают глубокие превращения, сопровождающиеся изменением агрегатного состояния, внутренней структуры и состава веществ. Наряду с химическими реакциями, являющимися основой химико-технологических процессов, последние обычно включают многочисленные физические (в том числе механические) и физико-химические процессы. К таким процессам относятся нагревание и охлаждение веществ, аппараты в которых этот процесс протекает называется теплообменниками. При этом способ проведения указанного процесса часто определяет возможность осуществления, эффективность и рентабельность производственного процесса в целом, т. к. является одним (а в некоторых случаях и главным) из наиболее энергозатратных. теплообменний аппарат труба теплопередача

Теплообменники, широко применяемые не только для проведения процессов теплопередачи, но также для извлечения компонентов из газовых или паровых смесей, путём их конденсации.

К данной курсовой работе по курсу «Процессы и аппараты химической технологии» изучается теория основных процессов теплопередачи, принципы устройства и методы расчёта теплообменников, используемых для проведения химических процессов.

Этот курсовой проект можно охарактеризовать как составную часть комплекса дисциплин, освещающих различные аспекты химической технологии как науки. К таким дисциплинам относятся курсы общей химической технологии и технологии конкретных отраслей химической промышленности, для которых производится подготовка инженеров (химиков-технологов).



4. Сущность процесса теплопередачи

Основы теплопередачи в химической аппаратуре.

Перенос энергии в форме тепла, происходящий между телами, имеющими различную температуру, называется теплообменом. Движущей силой теплообмена является разность температур более нагретого и менее нагретого тел, при наличии которой тепло самопроизвольно переходит от более нагретого тела к менее нагретому. Теплообмен между телами представляет собой 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 теплоносители.

Теплопередача - наука о процессах распространения тепла. Законы теплопередачи лежат в основе тепловых процессов (нагревание, охлаждение, конденсация пара, выпаривание и др.) и имеют большое значение для проведения многих массообменных процессов, а также и химических процессов, протекающих с подводом и отводом тепла.

Различают три способа (механизма) теплопередачи: теплопроводность, конвекция, излучение (лучеиспускание).

Теплопроводность - перенос тепла вследствие беспорядочного (теплового) движения микрочастиц, непосредственно соприкасающихся друг с другом. Такой переход тепла наиболее характерен для твердых тел. Здесь тепло передается как энергия упругих колебаний атомов и молекул около их среднего положения. Эта энергия переходит к соседним атомам и молекулам в направлении ее уменьшения, т.е. уменьшения температуры. Главную роль в переносе энергии в металлах играют свободные электроны, которые движутся хаотически подобно движению молекул газа (электронный газ).

Передача тепла теплопроводностью описывается законом Фурье:

, (1)

где - количество тепла, ;

- коэффициент теплопроводности, ;

- площадь поверхности, ;

- время, ;

- градиент температуры.

Коэффициент теплопроводности , , определяет скорость передачи тепла, то есть количество тепла, проходящего в единицу времени через единицу поверхности в направлении теплопередачи при разности температур в один градус [3].

Уравнение теплопроводности плоской стенки:

, (2)

где - время, ;

- толщина стенки, ;

- площадь поверхности, ;

- разность температур поверхностей стенки, [3].

Конвекция -- перенос тепла вследствие движения и перемешивания макроскопических объемов газа или жидкости. Этот механизм передачи тепла характерен только для текучих сред. В большинстве случаев теплообмена в промышленных установках тепло передается от одной текучей среды к другой через стенку, причем если тепло передается через стенку теплопроводностью, то от горячей среды к стенке и от стенки к нагреваемой среде оно передается конвекцией. Переход тепла от среды к стенке или от стенки к среде называется теплоотдачей.

В подавляющем большинстве случаев имеет место принудительная конвекция, так как в аппаратах осуществляется обычно принудительное перемещение теплоносителей, причем поток, как правило, имеет ярко выраженный турбулентный характер.

Тепловое излучение - процесс распространения электромагнитных колебаний с различной длинной волны, обусловленный тепловым движением атомов или молекул излучающего тела.

Тепловое излучение распространяется прямолинейно и подчиняется законам преломления и отражения. Лучистая энергия, распространяясь в пространстве от тела, излучающего ее, при встрече с другим телом может полностью или частично поглощаться им, превращаясь в тепло, т.е. электромагнитные колебания, могут возбуждать тепловые колебания внутри атомов и молекул. Для одного и того же материала шероховатые, матовые поверхности лучше поглощают лучи, чем гладкие, полированные. Падающий на шероховатую поверхность луч отражается несколько раз, передавая ей этими многочисленными падениями большое количество энергии, чем луч, падающий на гладкую поверхность, и отражающийся один раз. Если же шероховатая поверхность лучше поглощает лучи, то она обладает и лучшей поглощающей способностью.

В химической промышленности широко распространены тепловые процессы -- нагревание и охлаждение жидкостей и газов и конденсация паров, которые проводятся в теплообменных аппаратах (теплообменниках).

Теплообменниками называют аппараты, предназначенные для передачи тепла от одних веществ к другим. Вещества, участвующие в процессе передачи тепла, называются теплоносителями. Теплоносители, имеющие более высокую температуру, чем нагреваемая среда, и отдающие тепло, принято называть нагревающими агентами, а теплоносители с более низкой температурой, чем среда, от которой они воспринимают тепло, -- охлаждающими агентами.

В качестве прямых источников тепла в химической технологии используют главным образом дымовые газы, представляющие собой газообразные продукты сгорания топлива, и электрическую энергию. Вещества, получающие тепло от этих источников и отдающие его через стенку теплообменника нагреваемой среде, носят название промежуточных теплоносителей. К числу распространенных промежуточных теплоносителей (нагревающих агентов) относятся водяной пар и горячая вода, а также так называемые высокотемпературные теплоносители -- перегретая вода, минеральные масла, органические жидкости (и их пары), расплавленные соли, жидкие металлы и их сплавы.

В качестве охлаждающих агентов для охлаждения до обыкновенных температур (10--30 °С) применяют в основном воду и воздух.

Выбор теплоносителя зависит в первую очередь от требуемой температуры нагрева или охлаждения и необходимости ее регулирования. Кроме того, промышленный теплоноситель должен обеспечивать достаточно высокую интенсивность теплообмена при небольших массовых и объемных его расходах. Соответственно он должен обладать малой вязкостью, но высокими плотностью, теплоемкостью и теплотой парообразования. Желательно также, чтобы теплоноситель был негорюч, нетоксичен, термически стоек, не оказывал разрушающего влияния на материал теплообменника и вместе с тем являлся бы достаточно доступным и дешевым веществом [3].

Наиболее удобным в большинстве случаев является конденсирующий пар. Преимущества конденсирующего пара, как теплоносителя:

- он обладает большим теплосодержанием,

- вследствие высоких коэффициентов теплоотдачи от конденсирующего пара, сопротивление переносу тепла со стороны пара мало, что позволяет проводить процесс нагревания при малой поверхности теплообмена,

- пар конденсируется в зависимости от давления при строго определенной температуре, что обеспечивает равномерность и точность обогрева, легко регулируемого изменением давления,

- пар доступен и пожаробезопасен.

- пар не образует пристенных осадков на теплопередающих поверхностях.

- обогрев паром можно производить непосредственно смешивая его с нагреваемой средой (нагрев «острым паром»), также можно использовать нагрев паром через стенку (нагрев «глухим паром») [1].

Теплоотдача конденсирующегося пара. Существует два механизма: пленочный (на смачиваемой поверхности) и капельный (на несмачивающейся). Образующаяся в первом случае пленка жидкости оказывает основное сопротивление теплоотдаче от конденсирующеюся пара к стенке. Закономерности теплоотдачи определяются режимом течения пленки конденсата.

При ламинарном режиме коэффициент теплоотдачи можно определить исходя из того, что через утолщающуюся пленку конденсата, стекающею под действием силы тяжести, тепло передается теплопроводностью.

При конденсации пара на наружной поверхности трубы или стенки:

, (3)

где - разность между температурой конденсации пара и температурой стенки;

- теплота конденсации, ;

- плотность конденсата, ;

- вязкость конденсата, ;

- высота вертикальной стенки или трубы, .

Если коэффициент равен 1,15, а не 0,94, то эту формулу можно применять для пучка вертикальных труб.

Чем больше высота труб и разность температур между паром и стенкой, тем более вероятен турбулентный режим течения, следовательно, коэффициент теплоотдачи уменьшается. Шероховатые окисленные стенки так же снижают коэффициент теплоотдачи, так как затормаживают течение пленок конденсата, увеличивая тем самым их толщину. Определенное влияние оказывает и собственное термическое сопротивление окиси [1].

Коэффициент теплоотдачи на наружной поверхности одиночной горизонтальной трубы диаметром d имеет вид:

, (4)

В случае конденсации водяного пара на поверхности пучка горизонтальных труб длинной :

, (5)

где - поправочный множитель, учитывающий влияние числа туб по вертикали [6].

Конструкции теплообменных аппаратов

В зависимости от способа передачи тепла различают две основные группы теплообменников:

а) поверхностные теплообменники, в которых перенос тепла между обменивающимися теплом средами происходит через разделяющую их поверхность теплообмена - глухую стенку;

б) теплообменники смещения, в которых тепло передается от одной среды к другой при их непосредственном соприкосновении.

Передача тепла от одной среды к другой в большинстве случаев осуществляется в поверхностных теплообменниках, т.е. в аппаратах, где среды обмениваются теплом через разделяющую их поверхность стенку. Стенка выполняется из металла, обладающего хорошей теплопроводностью и высокой прочностью. Лишь в особых случаях, при коррозионно-активных средах, она изготовляется из керамики, стекла, графита. Поверхностные теплообменники имеют различное конструктивное оформление. Рассмотрим наиболее часто встречающиеся конструкции теплообменников.

Кожухотрубчатые теплообменники.

Кожухотрубчатый теплообменник является наиболее распространенным аппаратом вследствие компактного размещения большой теплопередающей поверхности в единице объема аппарата. Поверхность теплообмена в нем (рис. 1) образуется пучком параллельно расположенных трубок 5, концы которых закреплены в двух трубных досках (решетках) 4. Трубки заключены в цилиндрический кожух 1, приваренный к трубным доскам (как это показано на рисунке) или соединенный с ними фланцами. К трубным решеткам крепятся на болтах распределительные головки (днища) 3, что позволяет легко снять их и произвести чистку трубок или в случае необходимости заменять новыми. Для подачи и отвода теплообменивающихся сред в аппарате имеются штуцеры 2 [1].

рис. 1

Наиболее эффективно использовать в кожухотрубчатых теплообменных аппаратах принцип противотока. В противоточном теплообменнике два теплоносителя движутся параллельно друг другу, но в противоположных направлениях. Противоточные теплообменники наиболее эффективны, поскольку обеспечивают наилучшее использование располагаемой разности температур, в них также может быть достигнуто наибольшее изменение температуры каждого теплоносителя [6].

При этом охлаждаемую среду можно направить сверху вниз, а нагреваемую -- навстречу ей, или наоборот. Правильным является первый путь, так как он соответствует «естественному стремлению» обеих сред. Действительно, с понижением температуры плотность среды увеличивается, и она опускается вниз. Плотность нагреваемой среды по мере повышения температуры наоборот уменьшается, поэтому она выдавливается вверх [1].

Кожухотрубчатые теплообменные аппараты широко применяют в нефтяной, нефтехимической, химической, газовой и других отраслях промышленности для нагрева, охлаждения, конденсации и испарения жидкости, пара и их смесей.

По назначению кожухотрубчатые теплообменные аппараты делятся на теплообменники (Т), холодильники (Х), конденсаторы (К) и испарители (И); по конструкции - на аппараты с неподвижными трубными решетками (тип Н), с температурным компенсатором на кожухе (тип К), с плавающей головкой (тип П) и с U-образными трубами (тип У).

Теплообменники предназначены для нагрева и охлаждения различных сред с температурой теплообменивающих сред от -30 до +350 єС (типы ТН и ТК) и от -30 до +450 єС (типы ТП и ТУ); холодильники - для охлаждения различных жидких или газообразных сред пресной, морской водой или хладагентами с температурой охлаждаемой среды в кожухе от 0 до +300 єС (типы ХН и ХК) и от 0 до +400 єС (тип ХП) и температурой охлаждающей среды в трубах от -20 до +60єС; конденсаторы - для конденсации и охлаждения парообразных сред пресной, морской водой или другими хладагентами с температурой конденсируемой среды в кожухе от 0 до +300 єС (типы КН и КК) и от 0 до +400 єС (тип КП) и температурой охлаждающей среды в трубах от -20 до +60 єС; испарители - для нагрева и испарения различных жидких сред с температурой греющей и испаряемой сред от -30 до +350 єС (типы ИН и ИК) и от -30 до +450 єС (типы ИП и ИУ); холодильные конденсаторы (тип КТ) - для сжижения хладагента в аммиачных и углеводородных (пропан, пропилен) холодильных установках общепромышленного назначения, работающих в пределах температур конденсируемого хладагента от 0 до +100 єС, при температуре охлаждающей среды от -20 до +50 єС; холодильные испарители (тип ИТ) - для охлаждения воды и растворов давлением до 0,6 МПа ( 6 кгс/см2) в аммиачных и углеводородных (пропан, пропилен) холодильных установках общепромышленного назначения, работающих в пределах температур насыщения от +40 до -40 єС; жидких технологических сред давлением 1-205 МПа (10-25 кгс/см2) в установках, работающих в пределах насыщения от +40 до -60 єС.

Теплообменные аппараты типов П иУ применяют при значительной разности температур стенок кожуха и труб, а также в случае необходимости механической чистки трубного пучка снаружи.

Теплообменные аппараты изготовляют:

по расположению - вертикальными (типы Н, К и П) и горизонтальными (типы Н, К, П и У);

по числу ходов в трубном пространстве - одноходовыми (типы Н и К), двухходовыми (типы Н, К, П и У), четырёхходовыми (типы Н, К и П) и шестиходовыми (типы Н, К и П);

по компоновке - одинарными и сдвоенными;

по материалу основных узлов и деталей - с деталями трубного и межтрубного пространств из углеродистой или коррозионностойкой стали; с деталями трубного пространства из коррозионностойкой стали, а межтрубного пространства - из углеродистой стали; с трубами из латуни или алюминиево-магниевого сплава и деталями межтрубного пространства из углеродистой стали.

Теплообменные аппараты изготовляют с кожухами диаметром 159, 273, 325, 400, 426, 600, 630, 800, 1000, 1200 и 1400 мм (для типов Н и К), 1600, 1800 и 2000 мм (для типа Н), 325, 400, 426, 500, 530, 600, 630, 800, 1000, 1200 и 1400 мм (для типов П и У) и 800, 1000, 1200, 1600, 2400, 2600, 2800 мм для испарителей типов П и У).

Для стандартных теплообменных аппаратов типов Н и К применяют трубы 20*2 и 25*2 мм; для аппаратов типа П - трубы 20*2, 25*2 и 25*2,5 мм; для аппаратов типа У - трубы 20*2 мм.

В кожухотрубчатых теплообменных аппаратах с неподвижными трубными решетками и с температурным компенсатором на кожухе трубы расположены по вершинам равностороннего треугольника. Размещение отверстий под трубы в трубных решетках и перегородках - в соответствии с ГОСТ 15118-79, ГОСТ 22485-77 и ГОСТ 22486-77.

В кожухотрубчатых теплообменниках с U-образными трубами, теплообменниках и холодильниках с плавающей головкой трубы расположены по вершинам квадрата или равностороннего треугольника; в конденсаторах с плавающей головкой - по вершинам равностороннего треугольника; в испарителях с паровым пространством - по вершинам квадрата. Размещение отверстий под трубы в трубных решетках и перегородках - в соответствии с ГОСТ 13202-77 (для аппаратов типа П) и ГОСТ 13203-77 (для аппаратов типа У). Трубы в трубных решетках крепят методом развальцовки или обварки с подвальцовкой в соответствии с ГОСТ 26-02-1015-74.

Масса теплообменных аппаратов, расположение опор и штуцеров, условный проход штуцеров, расположение отверстий в опорах под фундаментные болты для горизонтальных аппаратов и размещение поперечных перегородок должны соответствовать указанным в соответствующих ГОСТах [7].

Теплообменники типа «труба в трубе».

Теплообменники этого типа смонтированы из труб, каждая из которых окружена трубой несколько большего диаметра. Одна среда течет по внутренней трубе, другая по кольцевому каналу.

Внутренние трубы соединены последовательно «калачами», а наружные -патрубками. При необходимости получить большую поверхность теплопередачи возможно не только последовательное, но и параллельное и комбинированное соединение таких секций с помощью коллекторов (рис. 2).

рис. 2

В теплообменнике типа «труба в трубе» соответствующим подбором диаметров труб для обеих теплообменивающихся сред можно назначить любую скорость, а следовательно, получить соответственно высокие значения величин б₁ и б₂. Недостатком таких теплообменников является большой расход металла на единицу теплопередающей поверхности вследствие затрат на бесполезные для теплообмена внешние трубы, что приводит к значительному увеличению стоимости аппарата. Теплообменники типа «труба в трубе» особенно широко применяются тогда, когда среды подаются под высоким давлением (десятков и сотен атмосфер).



5. Расчеты

5.1 Общая часть

Примем индекс «1» для горячего теплоносителя (воды 1), индекс «2» - для холодного теплоносителя (воды 2).

1. Температурная схема движения теплоносителей при противотоке:

2.

90 20 (вода 1)

50 25 (вода 2)

?t_б=40 ?t_м = 5

Предварительно найдем среднюю температуру воды 2:

t₂ = 0,5 (25+ 50) = 37,5 С;

3. Средняя разность температур:

?t_ср = = = 17 °С = 17 К.

4. Средняя температура воды 1 равна:

t₁ = t₂ + Дt_cp = 37,5 - 17 = 54,5 °C.

5. Без учета потерь тепла расход теплоты:

Вт;

6. Расход воды 2 через расход теплоты:

кг/с; (3.4)

где =4190 Дж/(кг К) и =4609 Дж/(кг К) - удельные теплоемкости воды 1 и воды 2 при их средних температурах =54,5 С и =37,5 С [1, рис. XI и таб. XXXIX].

7. Объемные расходы воды 1 и воды 2:

м³/с

м³/с

где кг/м³ и кг/м³- плотности воды при температурах =54,5 С и =37,5 С соответственно [1, таб. XXXIX].

5.2 Наметим варианты теплообменных аппаратов

Ориентировочно определим максимальную величину площади поверхности теплообмена:

F_max = = = 11 м²,

где К_min - коэффициент теплопередачи от жидкости к жидкости (вода), Вт/м²·К. [1,табл. 4.8].

Из величины F_max следует, что проектируемый теплообменник может быть:

А) Кожухотрубчатый теплообменник (ГОСТ 15120-79) с трубами 25х2 мм;

Б) Теплообменник типа «труба в трубе» (ГОСТ 9930-78), изготовленный из труб 89х4 мм (наружная труба) и 57х3,5 мм (внутренняя труба).

5.2.1 Вариант 1. Кожухотрубчатый теплообменник

Для обеспечения интенсивного теплообмена попытаемся подобрать аппарат с турбулентным течением теплоносителей для этого критерий Рейнольдса возьмем Re = 10000. Воду 2 направляем в трубное пространство, воду 1 - в межтрубное пространство.

1. Минимальная скорость движения воды 2:

где м₂ = 0,656·10^-3 Па·с - динамический коэффициент вязкости воды 2 при температуре t = 37,5°C [1,табл. IX].

2. Число труб 25х2 мм, обеспечивающих объёмный расход воды 2 при Re₂ = 10000:

n' = = = 13,1

Условию F < 11 м² и n < 13,1 максимально удовлетворяет [1,табл. 4.12] одноходовой теплообменный аппарат с наружным диаметром кожуха 159 мм, числом трубок n = 13 и длиной труб l=3 м.

3. Рассчитаем коэффициент теплоотдачи для кислоты.

Уточняем значение критерия Re₂:

Критерий Прандтля для воды 2 при t₂ = 37,5°C находим по формуле:

где л₂ = 0,628 Вт/(м·К) -коэффициент теплопроводности воды 2 [1,рис.Х].

Расчётная формула для критерия Нуссельта:

;

Коэффициент теплоотдачи для воды 2:

4. Рассчитаем коэффициент теплоотдачи при конденсации водяного пара на пучке горизонтальных труб.

Расчёт ведём приблизительно (без учёта влияния поперечных перегородок).

Коэффициент теплоотдачи для воды 2:

В нашем случае известно G₁ = 0,5 кг/с и n =13. Поэтому используем зависимость б₁ = f(n,L,G) с учётом влияния примеси воздуха (0,5 %):

,

где е =0,8 [1,рис. 4.7] при n_B = 5 [1,табл. 4.12];

е_г = 0,6 [1,рис. 4.9];

B_t = 1135 [1,табл. 4.6].

Задаёмся длиной труб L = 3 м.

5. Принимаем тепловую проводимость загрязнений со стороны греющего пара , со стороны воды 2 - [1,табл. XXXI].

л_фт. = 46.5 - коэффициент теплопроводности стали [1,табл. XXVIII]. Тогда:

Термическое сопротивление стенки и загрязнений:

Коэффициент теплопередачи:

6. Поверхностная плотность теплового потока:

q = K · ?t_ср;

q = 775 · 17 = 13175 Вт/м².

7. Проверим принятое значение

Определяем:

t_ст.2 = t₂ + ?t₂ = 37,5 + 6,7 = 44,2°С;

Pr_ст.2 = = 6,92,

где C_ст.2 = 2891 (рис.XI, стр.562);

;

л_ст.2 = 0,5 (рис. X, стр.561).

Проверка: 1,03

Разница 1,5 %. Расчёт К закончен.

8. Расчетная площадь поверхности теплообмена:

Аппарат с L = 3 м имеет площадь поверхности теплообмена:

F₁ = р · d₂ · n · L = 3,14 · 0,021 · 13 · 3 = 2,57 м².

Необходимо 7 аппаратов: F₇ = 7 · F₁ = 18 м²;

Запас площади поверхности теплообмена: Д = · 100% = 20 %

Запас площади поверхности достаточен.

9. Определяем t_ст.1:

Дt_ст.1 = = 7,6°C

t_ст.1 = t₁ - Дt₁ = 158,1 - 7,6 = 150,5°С

Выбираем 7 параллельно установленных кожухотрубчатых теплообменника с наружным диаметром D = 159 мм, одноходовых с числом труб n = 13, их длиной 3 м и диаметром 25Ч2 мм.

Масса данного теплообменника: m_кож = 255 кг

Металлоемкость кг/м² поверхности теплообмена.

5.2.2 Вариант 2 Расчет теплообменника «Труба в трубе»

Рассмотрим аппарат, изготовленный из труб 89х4 мм (наружная труба) и 57х3,5 мм (внутренняя труба).

1. Скорость кислоты в трубах для обеспечения турбулентного течения должна быть больше минимальной скорости движения HCl :

2. Число параллельно работающих труб 57х3,5 мм при этом:

n^' = = = 7,38

Принимаем количество параллельно работающих труб n=4, тогда:

3. Определим коэффициент теплоотдачи для кислоты.

Критерий Прандтля для HCl:

Критерий Нуссельта для HCl рассчитаем по формуле:

Nu'=0,021·е_l·Re^0,8·Pr^0,43· (Pr/Pr_ст)^0,25,

принимаем е_l=1 и (Pr/Pr_ст)^0,25=1, с последующей корректировкой, таким образом:

Nu₂ = 0,021·Re^0,8·Pr^0,43=0,021 · 20000^0,8 · 7,73^0,43 = 139,6;

Коэффициент теплоотдачи для HCl:

4. Рассчитаем коэффициент теплоотдачи при конденсации водяного пара на пучке горизонтальных труб.

Коэффициент теплоотдачи для водяного пара (приближённый):

Известно G₁ = 0,319 , n = 4. Поэтому используем зависимость = f(n,L,G) с учётом влияния примеси воздуха (0,5%):

где (рис.4.9)

- для теплообменника « труба в ртубе»

B_t = 1135 - значение функции для водяного пара при температуре конденсации пара (табл.4.6);

Задаёмся длиной труб L = 6м, тогда:

5. Термическое сопротивление стенки и загрязнений:

Коэффициент теплопередачи:

6. Поверхностная плотность теплового потока:

q^' = K' · ?t_ср = 246,2 · 105,38 = 25949 Вт/м².

7. Определим ориентировочное значение из условия:

q^' = K' · Дt_ср. =

где ;

Найдём:

Проверка: 4,5 + 81 + 20 = 105,5°С - верно.

Отсюда:

;

;

8. Определим Prст2 при °С:

Pr_ст2 = = = 6,92,

где С_ст2, м_ст2, л_ст2 параметры рассола при температуре стенки t_ст.2.

Тогда = 1,03, то есть коэффициент теплоотдачи для кислоты:

9. Исправленные значения К, q, tст.1, tст.2:

= 248 Вт/м²·К;

Поверхностная плотность теплового потока:

q = K · ?t_ср = 248 · 105,4 = 26139 Вт/м²;

t_ст.1 = t₁ - 158,1 - = 153,6°С;

t_ст.2 = t₂ + = 52,7 + = 72,2°С

10. Расчетная площадь поверхности теплопередачи:

F_p'= = = 23,93 м²;

С запасом 10%: F_p = 1,1 · F_p' = 26,32 м²;

Площадь поверхности теплообмена одного элемента длиной L = 6 м:

F₁ = рd_cpL = 3,14 · 0,0535 · 6 = 1,01 м²;

Число элементов в каждой из 4 секций:

6,51 = 7 шт.;

Общее число элементов n·N = 4 · 7 = 28 шт.

Масса одного элемента 1600 кг значит масса всего аппарата 11200 кг.

Металлоемкость кг/м².

Необходимо создать 4 параллельных секции по 7 последовательно соединённых элементов «труба в трубе» длиной 6 м, диаметром 89х4 мм (наружная труба) и 57х3,5 мм (внутренняя труба).



6. Выводы

В данной работе проведен расчет кожухотрубчатого теплообменника (ГОСТ 15120 -79) с трубами 25х2 мм и теплообменника типа “труба в трубе” (ГОСТ 9930 -78), изготовленного из труб 89х4 мм (наружная труба) и 57х3,5 мм (внутренняя труба). Результаты расчетов показывают, что кожухотрубчатый теплообменник обладает рядом преимуществ перед теплообменником типа “труба в трубе”: имеет выше коэффициент теплопередачи, меньшую площадь поверхности теплообмена, меньшую массу и ниже по стоимости. На основании всех этих показателей можно сделать вывод о том, что рациональнее выбрать кожухотрубчатый теплообменник для обеспечения должного теплообмена и достижения более высоких тепловых нагрузок на единицу массы аппарата.

В заключении хотелось бы отметить. Что данная курсовая работа является одним из основных этапов к самостоятельному проектированию и расчёту аппаратов химической технологии студентами, как специалистами-нженерами. В процессе расчёта курсовой работы был изучен значительный теоретический материал, который помог начертить чертёж теплообменника в общем виде в соответствии с ГОСТом.

Выбранный аппарат отвечает следующим характеристикам:

Диаметр кожуха, мм 159

Диаметр внутренних труб 25Ч2

Площадь теплообмена, м² 2,57

Температура сред, ^оС:

Во внутренних трубах 52,7

В межтрубном пространстве 158,1

Длина труб, мм. 3000

Количество труб, шт. 13

Масса одного теплообменника, кг 255

Материал внутренних труб аппарата: фторопласт.

7. Приложение

Чертёж кожухотрубчатого теплообменника (см. А1)



8. Используемая литература

1. Павлов К.Ф., Романков П.В., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Л.: Химия, 1983, 273 с.

2. Авербух Я.Д., Заостровский Ф.П., Матусевич Л.Н. Процессы и аппараты химической технологии: Курс лекций. Ч.2: Теплообменные и массообменные процессы. Свердловск: изд. УПИ, 1973, 428 с.

3. Касаткин А.Т. Основные процессы и аппараты химической технологии. М.: Химия, 1973, 754 с.

4. Основные процессы и аппараты химической технологии: пособие по проектированию / под редакцией Дытнерского Ю.И. М.: Химия, 1983, 272 с.

Размещено на Allbest.ru

...