Расчет теплообменного аппарата

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Новосибирский Государственный Технический Университет

Кафедра «Химии и химической технологии»

Расчётно-пояснительная записка

к курсовому проекту по дисциплине “Процессы и аппараты химической технологии”

на тему: «Расчет теплообменного аппарата»

Новосибирск 2015

Введение

Теплообменниками называются аппараты, в которых происходит теплообмен между рабочими средами не зависимо от их технологического или энергетического назначения.

Самым распространенным видом теплообменников является кожухотрубный, это связано с тем, что данный теплообменник лёгок в изготовлении и прост в эксплуатации.

Кожухотрубный теплообменник представляет собой большой цилиндрический кожух, внутри которого находится система труб, в самом кожухе находится четыре отверстия, штуцеры, одна пара штуцеров подходит к трубам, другая - в межтрубное пространство. Что касается подачи теплоносителей, то нагреваемый теплоноситель, в нашем случае вода, всегда подается снизу, а охлаждаемый - сверху, это связано с изменением плотностей, т.е. нагреваемая жидкость становится менее плотной, а охлаждаемая более плотной, таким образом, схема подачи теплоносителей является противоточной.

По способу передачи тепла различаются теплообменники смешения, в которых рабочие среды непосредственно соприкасаются или перемешиваются, и поверхностные теплообменники.

Поверхностные теплообменники по способу передачи тепла к среде можно разделить на следующие группы: рекуперативные, регенеративные, смесительные, и с электрическим подогревом.

Что касается рекуперативных теплообменников, то, что конструкция изделия подразумевает наличие однослойной или многослойной стенки, через которую передается тепло, обычно это происходит уже в установившемся движении. В регенеративных теплообменниках для передачи тепловой энергии используется поверхность теплообмена, однако данная поверхность является своего рода насадкой, она выполняет роль промежуточного аккумулятивного средства, которое накапливает теплоту.

Суть теплообменников с электрическим подогревом заключается в том, что в качестве основного источника тепла используется электроэнергия. Для преобразования электрической энергии в тепловую используются электродуговые установки, они могут быть как прямого, так и косвенного нагрева.

Кожухотрубный теплообменник можно систематизировать по следующим двум категориям: по назначению (нагреватель, холодильник, кипятильник) и по устройству труб ( жесткое и не жесткое крепление труб).

Теплообменники предназначены для нагрева и охлаждения, а холодильники - для охлаждения жидких и газообразных сред. Кожухотрубные теплообменники и холодильники могут быть двух типов: с неподвижными трубными решетками и с линзовым компенсатором неодинаковых температурных удлинений кожуха и труб.

Теплообменники и холодильники могут устанавливаться вертикально и горизонтально, быть одно-, двух-, четырех-, шестиходовыми по трубному пространству. Трубы, кожух и другие элементы конструкции могут быть изготовлены из углеродистой или нержавеющей стали, холодильники - так же и из латуни.

Кожухотрубные конденсаторы предназначены для конденсации паров в межтрубном пространстве, также для подогрева жидкостей и газов за счет теплоты конденсации пара, от холодильников они отличаются большим диаметром штуцера для подвода пара в межтрубное пространство.

Расчёт теплообменного аппарата включает определение необходимой поверхности теплообмена и его гидравлического сопротивления.

Нам необходимо подобрать холодильник, чтобы остудить горячую жидкость, чтобы выбрать теплообменник нам необходимо решить уравнение теплопередачи, также можем найти поверхность теплообмена решив следующее уравнение

теплообменник кожухотрубный гидравлический

=>

По заданному тепловому потоку и разнице температур мы можем выбрать оптимальный теплообменник.

Тепловой поток можем найти через уравнение теплового баланса, составив систему уравнений:

Так как , следовательно, приравниваем эти два уравнения и выражаем :

;

Что касается среднелогарифмической разницы температур, то ее можем вычислить по следующей формуле:

Коэффициент теплопередачи показывает, какое количество теплоты проходит через разделяющую стенку между теплоносителями.

Определить коэффициент теплопередачи очень трудно, т.к. у нас недостаточно данных о теплообмене, поэтому чтобы найти его мы используем критерии подобия.

Re - критерий Рейнольдса, представляет собой отношение инерциальных сил к силам вязкости, характеризует скорость движения теплоносителей:

Pr - критерий Прандтля, учитывает физические свойства теплоносителя:

Nu - критерий Нуссельта, это отношение конвективного теплопотока к молекулярному, показывает интенсивность теплообмена у стенки:

Теплоотдача показывает, какое количество теплоты подходит к стенке.

Определим коэффициент теплоотдачи по следующей формуле:

На практике коэффициент теплопередачи найти практически нереально, поэтому при расчете теплообменников принимают ориентировочное значение коэффициента теплопередачи .

Это значение соответствует турбулентному движению теплоносителя.

После того, как нашли коэффициент теплоотдачи, можем определить коэффициент теплопередачи по следующей формуле:

В реальных условиях в расчет коэффициента теплопередачи входит загрязнение теплоносителей. Найдя коэффициент теплопередачи, рассчитаем наш теплообменник.

После расчетов поверхности теплообмена, выбираются обычно три теплообменника в зависимости от того, у кого из них поверхность теплообмена меньше - тот и лучше. Так же теплообменник должен иметь запас поверхности от 15 % до 30 %. Если наше значение будет меньше 15 %, то мы тогда принимаем два последовательно соединенных теплообменника. Если значение будет больше 30 %, тогда будет достаточно большой размер теплообменника, следовательно, металлоемкий, вследствие этого придется выполнять поверочный расчет теплообменных аппаратов. В теплообменниках с большой поверхностью теплообмена, как правило, имеют маленькое гидравлическое сопротивление, что хорошо.

Далее необходим расчет гидравлического сопротивления теплообменного аппарата, гидравлическое сопротивление показывает, какую мощность должен приложить насос, чтобы прогонять теплоносители по трубам.

После расчетов поверхности теплообмена и гидравлического сопротивления, необходимо провести экономические расчеты, благодаря которым мы уже сможем выбрать теплообменник.

1. Исходные данные

Необходимо выбрать кожухотрубный теплообменник для охлаждения конденсата метилового спирта после дефлегматора от 65°C до 25°C. Охлаждающий агент - вода, нагреваемая от 20°C до 40°C. Концентрация метилового спирта в конденсате (дистилляте) 97%. Расход конденсата (дистиллята) составляет 15 000 кг/час.

При средних температурах (45°C и 30°C) теплоносители имеют следующие физико-химические характеристики:

Динамический коэффициент вязкости (при различных температурах определяем по специальной номограмме.

2. Определение тепловой нагрузки

Горячий раствор (спирт) в неизвестном количестве в размерности (кг/с) охлаждается от 65°C до 25°C, найдем расход метилового спирта:

Тепловую нагрузку, в соответствии с заданием, находим из уравнения теплового баланса для одного из теплоносителей. В данном случае - для горячего, который охлаждается нагревающейся водой, поскольку агрегатное состояние теплоносителей в данном случае не меняется, величина Q определяется из уравнения:

По уравнению теплового баланса найдем расход воды:

Определение среднелогарифмической разности температур для противотока проводится по следующему уравнению:

3. Ориентировочный выбор теплообменника

Решение вопроса о том, какой теплоноситель направить в трубное пространство, обусловлено его температурой, давлением, коррозионной активностью, способностью загрязнять поверхности теплообмена, расходом. В рассматриваемом теплообменнике в трубное пространство с меньшим проходным сечением целесообразно направить теплоноситель с меньшим расходом, т.е. горячий раствор. Это позволит выровнять скорости движения теплоносителей и соответствующие коэффициенты теплоотдачи, увеличивая таким образом коэффициент теплопередачи. Кроме того, направляя поток холодной жидкости в межтрубное пространство, можно отказаться от теплоизоляции кожуха теплообменника.

Примем , это означает, что режим течения является турбулентным, необходимое условие для достижения интенсивности теплообмена.

Режим течения в межтрубном пространстве может быть любым, т.к. движение охлаждающего теплоносителя не имеет большого значения, главным является то, чтобы спирт продвигался как можно более интенсивно.

Перегородки устанавливаются для того, чтобы интенсифицировать процесс теплообмена, кроме того в горизонтальных кожухотрубных теплообменниках также выполняет укрепляющую функцию.

Такой режим возможен в теплообменнике, у которого число труб, приходящееся на один ход, равно:

Для труб диаметром

Для труб диаметром

На практике коэффициент теплопередачи найти практически нереально, поэтому при расчете теплообменников принимают ориентировочное значение коэффициента теплопередачи , это значение соответствует турбулентному движению теплоносителя.

При этом ориентировочное значение поверхности теплообмена составит:

Нужно учитывать, что в реальных условиях меньше рассчитанной, поэтому делают поправку, ее обычно принимают как , поэтому для среднелогарифмической разницы температур запишем:

С учётом поправки, ориентировочная площадь поверхности теплообменника составит:

Теперь целесообразно провести уточнённый расчёт следующих вариантов:

1К: , , ,

2К: , , ,

3К: , , ,

4. Уточнённые расчёты

Критерий Рейнольдса:

Критерий Прандтля:

Коэффициент теплоотдачи к жидкости, движущейся по трубам турбулентно:

Критерий Рейнольдса:

Критерий Прандтля:

Коэффициент теплоотдачи к жидкости, движущейся в межтрубном пространстве:

Примем следующие термические сопротивления загрязнений:

,

Теплопроводность нержавеющей стали:

Сумма термических сопротивлений стенки и загрязнений:

Коэффициент теплопередачи:

Требуемая поверхность составит:

Запас поверхности теплообменника:

Поскольку требуемая поверхность составляет 113,29 , соответственно выбираем два последовательно соединённых теплообменника, имеющих длину труб по 4 м.

Запас поверхности теплообменника:

Масса теплообменника:

Размещено на Allbest.ru