Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательноеучреждение высшего профессионального образования
ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
(ВолгГТУ)
Кафедра ПАХП
Курсовая работа
на тему:Расчет и подборнормализованного теплообменного аппарата
Выполнил: студент
группы ХТ-341
Ошкин Михаил Иванович
Волгоград 2008г.
Содержание
Аннотация
Введение
Общая часть
1. Определение расхода теплоты и расхода воды
2. Приблизительная оценка
Расчет и подбор теплообменных аппаратов
Вариант №1: D = 273мм, n = 37, z =1и F = 9
Вариант №2: D = 325мм, n = 56, z =2 иF = 13
Расчет нагрузочной характеристики
Заключение
Приложение №1
Приложение №2
Список используемой литературы
Аннотация
В данной семестровой работерассматривается процесс передачи энергии в форме тепла и на основе расчетныхданных осуществляется подбор теплообменного аппарата.
В данном случае рассматривается процессохлаждения жидкости с заданным расходом.
Исходными материалами являются ацетон искважинная вода. Вода является охладителем с начальной температурой равной />. Дляисключения накипи в межтрубном пространстве конечная температура воды непревышает />,т.е.принята />.
Жидкости подаются в теплообменный аппаратпротивоточно, при условии, что осуществляется развитое турбулентное течение.Кожух теплообменного аппарата выполнен из материала – сталь, с толщиной 2мм,без учета расчета на прочность. Подбор теплообменного аппарата осуществляетсяпри условии, что поверхность теплообмена не будет превышать 10%. Исходнымматериалом для расчета поверхности теплообменного аппарата является учебник:К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А. Носков «Примеры и задачи по курсу процессов иаппаратов химической технологии».
Введение
теплообменный аппарат ацетон
В зависимости от способа передачи тепларазличают две основные группы теплообменников:
1) поверхностные теплообменники, в которыхперенос тепла между обменивающимися теплом средами происходит через разделяющуюих поверхность теплообмена – глухую стенку;
2) теплообменники смешения, в которыхтепло передается от одной среды к другой при их непосредственномсоприкосновении.
Теплообменники и холодильники могут устанавливатьсягоризонтально и вертикально, быть одно-, двух-, четырех- и шестиходовыми потрубному пространству. Трубы, кожух и другие элементы конструкции могут бытьизготовлены из углеродистой или нержавеющей стали, а трубы холодильников –также и из латуни. Распределительные камеры и крышки холодильников выполняют изуглеродистой стали.
Кожухотрубчатые конденсаторы предназначеныдля конденсации паров в межтрубном пространстве, а также для подогреважидкостей и газов за счет теплоты конденсации пара. Они могут быть снеподвижной трубчатой решеткой или с температурным компенсатором на кожухе,также вертикальные и горизонтальные. От холодильников они отличаются большимдиаметром штуцера для подвода пара в межтрубное пространство.
В кожухотрубчатых испарителях втрубном пространстве кипит жидкость, а в межтрубном пространстве может бытьжидкий, газообразный, парообразный, парогазовый или парожидкостнойтеплоноситель. Эти теплообменники могут быть только вертикальные, с неподвижнойтрубной решеткой или с температурным компенсатором на кожухе.
В работе используется кожухотрубчатыйтеплообменник. Кожухотрубчатые теплообменные аппараты могут использоваться вкачестве теплообменников, холодильников, конденсаторов и испарителей. Этоттеплообменник относится к числу наиболее часто применяемых поверхностныхтеплообменников. В теплообменнике одна из обменивающихся теплом сред движется внутритруб, а другая – в межтрубном пространстве. Среды обычно направляютсяпротивоположно друг другу. При этом нагреваемую среду направляют снизу вверх, асреду, отдающую тепло, — в противоположном направлении. Такое направлениедвижения каждой среды совпадает с направлением, в котором стремится двигатьсяданная среда под влиянием изменения ее плотности при нагревании или охлаждении.
Конструкции теплообменников должныотличаться простотой, удобством монтажа и ремонта. В ряде случаев конструкциятеплообменника должна обеспечивать возможно меньшее загрязнение поверхноститеплообмена и быть легко доступной для осмотра и очистки.
Конденсация ацетона водой
Примем следующие индексы:
«1» — для ацетона
«2» — для воды
Общая часть
1. Определим расход теплоты и расходводы на охлаждение ацетона
Примем температуру ацетона на входе втеплообменник равной tн1= 56 0С. Конечнаятемпература ацетона, по условию задания, равной 36 0С. Водаподается в теплообменник с начальной температурой tн2= 17 0С.Конечная температура равна tн2= 27 0С.
— средняя температура воды:
/>0С
Данным условиям соответствуют следующиефизико-химические показатели воды:
С2 = 4231,9 Дж/(кг К) – теплоемкость этилацетата (стр. 562, рис. XI,[1]);
λ2 = 0,593 Вт/(м К) – коэф. теплопроводимости (стр. 561, рис. X,[1]);
ρ2 = 998 кг/м3 – плотность этилацетата (стр. 512, т. IV,[1]);
μ2 = 1 10-3 Па с – коэф. динамической вязкости (стр. 516,т. IX, [1]).
— среднюю логарифмическую разностьтемператур:
56→36
27←17
/>290С />190С
Т.к. />, используется формула:
/>0С
Расчет /> — температурного коэффициента:
/>
/>
где />
/> при />, />, />
/>
/> тогда />,
/>
/>
тогда/>0С
— среднюю температуру исходного вещества:
/>0С
Данным условиям соответствуют следующиефизико-химические показатели ацетона:
с1 = 2304,5 Дж/(кг К) – теплоемкость этилацетата (стр. 562, рис. XI,[1]);
λ1 = 0,163 Вт/(м К) – коэф. теплопроводимости (стр. 561, рис. X,[1]);
ρ1 = 762,5 кг/м3 – плотность этилацетата (стр. 512, т. IV,[1]);
μ1 = 0,257 10-3 Па с – коэф. динамической вязкости (стр. 516,т. IX, [1]).
Определим расход исходного вещества/>:
/>
С учетом потерь теплоты в размере 5%,тепловая нагрузка составит/>:
/>/>
Расход воды составит/>:
/>
Объемные расходы исходного вещества и воды/>:
/>0,00546/>
/>0,00477/>
2. Наметим варианты теплообменныхаппаратов
Для этого определим ориентировочноезначение площади поверхности теплообмена, принимая /> (стр. 47, т. 2.1, [2])/>:
/>/>
Для более интенсивного теплообменанеобходим аппарат с турбулентным режимом течения теплоносителей. Направим втрубное пространство воду, а в межтрубное пространство – ацетон. Также длянаиболее эффективного теплообмена необходимо, чтобы трубы в аппаратерасполагались в шахматном порядке.
В теплообменниках с диаметром труб /> по ГОСТу15120-79 скорость течения исходного вещества при /> должна быть более/>:
/>0,525/>
При этом число труб в аппаратеобеспечивающих объемный расход исходного вещества при турбулентном режиметечения:
/>31,1=31 шт.
Расчет и подбор теплообменныхаппаратов
Вариант №1:
D= 273 мм, n=37, z=1 и F=9 м2 :
Определим расчетное значение площадиповерхности теплообмена и рассчитаем запас поверхности теплообмена утеплообменного аппарата данного типа.
Размер стрелки сегмента:
/>мм
Расстояние между перегородками:
/>мм
Где />
Определим скорость и критерий Рейнольдсадля исходного вещества/>:
/>/>
/>36847
Для воды:
/>/>
/>
Определим коэффициенты теплоотдачи:
— для воды:
Теплоотдача течении в прямых трубах иканалах (/>),критерий Нуссельта рассчитывается по формуле (см. стр. 152, (4.17), [1])
/>
εl= 1 –поправочный коэффициент, учитывающий влияние на коэффициент теплоотдачиотношения длины трубы к ее диаметру.
Откуда />
Рассчитаем критерий Прандтля:
/>
Тогда по формуле:
/>62,78
Принимаем значение />/>= 1.
Коэффициент теплоотдачи/>:
/>1773
— для ацетона:
Рассчитаем критерий Прандтля:
/>3,633
/>
Приняв/>.
Коэффициент теплоотдачи/>:
/>1299/>
Применительно к кожухотрубчатымтеплообменникам с поперечными перегородками в формуле принимают коэффициент />, учитывая, чтотеплоноситель в межтрубном лишь часть пути движется поперек труб и при углеатаки меньшем 900.
Примем тепловую проводимость загрязненийстенки со стороны воды равной /> (табл. 2.2, [2]), коэффициенттеплопроводимости стали равной /> (табл. XXVIII, [1]),тепловую проводимость загрязнений стенки со стороны исходного вещества равной /> (табл. 2.2,[2]).
Тогда
/>
Коэффициент теплоотдачи рассчитаем поформуле:
/>
Поверхностная плотность теплового потока/>:
/>/>
Расчетная площадь поверхности теплообменасоставит/>:
/>14,5/>
Запас поверхности составляет при этом:
/>
Запас поверхности теплообмена данногоаппарата не удовлетворяет условию. По аналогичной схеме рассчитаем другойвариант.
Вариант №2
D=325 мм, n=56, z=2 и F= 13 :
Определим скорости и критерии Рейнольдса:
— для исходного вещества: />
/>
— для воды: />
/>
Определим коэффициенты теплоотдачи:
— для ацетона:
/>
/>
— для воды:
/>
/>
Коэффициент теплопередачи:
/>
Поверхностная плотность теплового потока:
/>
Расчетная площадь поверхности теплообмена:
/>
Запас поверхности составляет при этом:
/>
Запас поверхности теплообмена данногоаппарата удовлетворяет условию.
Расчет нагрузочной характеристики
Примем следующий интервал температурстенки со стороны горячего теплоносителя:
T1=/ 25 30 40 50 55/ 0С
Данным температурам соответствуютследующие физико-химические показатели исходного вещества:
с1.1 =2220,7 Дж/(кг К) – теплоемкость при tст=25 0C;
с1.2 = 2258,41 Дж/(кг К) – теплоемкость при tст=30 0C;
с1.3 = 2283,55 Дж/(кг К) – теплоемкость при tст=40 0C;
с1.4 =2308,69 Дж/(кг К) – теплоемкость при tст= 50 0C;
с1.5 =2342,21 Дж/(кг К) – теплоемкость при tст=55 0C;
λ1.1 =0,169 Вт/(м К) ρ1.1= 785,3 кг/м3
λ1.2 =0,167 Вт/(м К) ρ1.2= 779,5 кг/м3
λ1.3 = 0,165 Вт/(м К) ρ1.3=768 кг/м3
λ1.4 =0,163 Вт/(м К) ρ1.4= 757 кг/м3
λ1.5 =0,162 Вт/(м К) ρ1.5= 751,5 кг/м3
μ1.1 = 0,3075 10-3 Па с
μ1.2 =0,293 10-3 Па с
μ1.3 = 0,268-3 Па с
μ1.4 = 0,246 10-3 Па с
μ1.5 = 0,476 10-3 Па с
Скорость исходного вещества равна:
/>
Критерии Рейнольдса и Прандтля:
/>
/>
/>
/>24209,73
/>26077,6
/>28002,85
/>14366,9
/>
/>3,96
/>3,71
/>3,48
/>6,88
Значение Nuрассчитываем по формуле:
/>
/>
/>166,6
/>170
/>145,54
Коэффициент теплоотдачи рассчитаем поформуле:
/>
/>1090
/>1100
/>1108
/>943,1
Плотность теплового потока/>
/>
/>
/>
/>6597,4
/>-4433,7
/>-8487,8
Определим температуру стенки со стороныхолодного теплоносителя – воды:
/>
/>
/>
/>
/>
/>
Данным температурам соответствуютследующие физико-химические показатели воды:
с2.1 = 4231,9 Дж/(кг К) – теплоемкость воды при tст= 240C;
с2.2 = 4252,9 Дж/(кг К) – теплоемкость воды при tст= 29,250C;
с2.3 = 4273,8 Дж/(кг К) – теплоемкость воды при tст= 39,70C;
с2.4 = 4315,7 Дж/(кг К) – теплоемкость воды при tст= 50,20C;
с2.5 = 4336,7 Дж/(кг К) – теплоемкость воды при tст= 55,40C;
λ2.1 = 0,611 Вт/(м К) ρ2.1 = 993,5 кг/м3
λ2.2 = 0,616 Вт/(м К) ρ2.2 = 995кг/м3
λ2.3 = 0,637 Вт/(м К) ρ2.3 = 992 кг/м3
λ2.4 = 0,645 Вт/(м К) ρ2.4 = 987,5 кг/м3
λ2.5 = 0,651 Вт/(м К) ρ2.5 = 985,3 кг/м3
μ2.1 = 0,9 10-3 Па с
μ2.2 = 0,801 10-3 Па с
μ2.3 = 0,656 10-3 Па с
μ2.4 = 0,549 10-3 Па с
μ2.5 = 0,509 10-3 Па с
Скорости воды:
/>
Критерии Рейнольдса и Прандтля считаеманалогично:
/>
/>
/>
/>
/>
Значение Прандтля:
/>
/>
/>
/>
/>
Т.к. все значения Re>10000, то значение Nu:
/>
/>
/>
/>
/>
Коэффициент теплоотдачи:
/>
/>
/>
/>
/>
Плотность теплового потока:
/>
/>
/>
/>
/>
Далее строим графики зависимости />и />. Совмещенныекривые отображают нагрузочную характеристику теплообменного аппарата. Дляустановившегося процесса теплопередачи должно соблюдаться условие q1= q2, поэтому точкапересечения кривых определяет действительную плотность теплового потока идействительную температуру на поверхности стенки со стороны горячеготеплоносителя. Зная эту температуру можно с помощью критериальных уравненийвычислить значения коэффициентов теплоотдачи и рассчитать величину коэффициентатеплопередачи.
/>
Данной температуре (Т=29) соответствуютследующие физико-химические показатели:
— для исходного вещества:
с1 = 2258,4 Дж/(кг К) – теплоемкость (стр. 562, рис. XI,[1]);
λ1 =0,167 Вт/(м К) – коэф. теплопроводимости (стр. 561, рис. X,[1]);
ρ1 =779,5 кг/м3 – плотность (стр. 512, т. IV, [1]);
μ1 = 0,293 10-3 Па с – коэф. динамической вязкости (стр. 516,т. IX, [1]).
— для воды:
с2 = 4232,9 Дж/(кг К) – теплоемкость (стр. 562, рис. XI,[1]);
λ2 =0,616 Вт/(м К) – коэф. теплопроводимости (стр. 561, рис. X,[1]);
ρ2 =995 кг/м3 – плотность (стр. 512, т. IV, [1]);
μ2 = 0,801 10-3 Па с – коэф. динамической вязкости (стр. 516,т. IX, [1]).
Рассчитаем значения ReиPr:
/> />
/> />
/>
/>
Коэффициент теплоотдачи:
/>
/>
Коэффициент теплопередачи:
/>
Погрешность расчета:
/>
Заключение
Для достижения поставленной цели в даннойсеместровой работе рассматривались только нормализованные теплообменныеаппараты (холодильники), без рассмотрения экономических факторов, таких как:металлоемкость, себестоимость, вес и т.п.
В процессе приблизительной оценки былирассмотрены нормализованные теплообменные аппараты с внутренним диаметромкожуха 400мм, 600мм и 800мм. Запас поверхноститеплообмена, у теплообменника с внутренним диаметром кожуха 800мм, неудовлетворял исходным требованиям, и в дальнейшем расчете нагрузочнойхарактеристики не рассматривался. При рассмотрении теплообменных аппаратов свнутренним диаметром кожуха 400мм и 600мм, запас поверхноститеплообмена составил, соответственно, 9,7% и5%.
Далее рассчитывалась нагрузочнаяхарактеристика аппаратов. Вследствие чего, теплообменный аппарат, с внутреннимдиаметром кожуха 600мм, имел высокую ошибку при расчете коэффициентатеплопередачи (свыше 10%), что не удовлетворяет условию задачи.
Всем требуемым условиям соответствует двухходовойнормализованный кожухотрубчатый теплообменный аппарат с внутренним диаметромкожуха 400мм, в количестве 2шт.
Приложение №1
Диаметр кожуха внутренний D, мм
Число труб n
Длина труб l, мм
Проходное сечение, м2
nр
h, мм 1,0 1,5 2,0 3,0 4,0 6,0 9,0
Sт102
Sм102
Sв.п.102
Поверхность теплообмена F,мм Одноходовые 159* 13 1,0 1,5 2,0 3,0 – – – 0,5 0,8 0,4 5 100
273*
37 3,0 4,5 6,0
9,0 – – – 1,3 1,1 0,9 7 130 325* 62 – 7,5 10,0 14,5 19,5 – – 2,1 2,9 1,3 9 180 400 111 – – 17 26 35 52 – 3,8 3,1 2,0 11 250 600 257 – – 40 61 81 121 – 8,9 5,3 4,0 17 300 800 465 – – 73 109 146 219 329 16,1 7,9 6,9 23 350 1000 747 – – – 176 235 352 528 25,9 14,3 10,6 29 520 1200 1083 – – – – 340 510 765 37,5 17,9 16,4 35 550 Двухходовые
325*
56 – 6,5 9,0
13,0 17,5 – – 1,0 1,5 1,3 8 180 400 100 – – 16,0 24,0 31,0 47 – 1,7 2,5 2,0 10 250 600 240 – – 38 57 75 113 – 4,2 4,5 4,0 16 300 800 442 – – 69 104 139 208 312 7,7 7,0 6,5 22 350 1000 718 – – 169 226 338 507 12,4 13,0 10,6 28 520 1200 1048 – – 329 494 740 17,9 16,5 16,4 34 550 Четырехходовые 600 206 – – 32 49 65 97 – 1,8 4,5 4,0 14 300 800 404 – – 63 95 127 190 285 3,0 7,0 6,5 20 350 1000 666 – – – 157 209 314 471 5,5 13,0 10,6 26 520 1200 986 – – – – 310 464 697 8,4 16,5 16,4 32 550 Шестиходовые 600 196 – – 31 46 61 91 – 1,1 4,5 3,7 14 300 800 384 – – 60 90 121 181 271 2,2 7,0 7,0 20 350 1000 642 – – – 151 202 302 454 3,6 13,0 10,2 26 520 1200 958 – – – – 301 451 677 5,2 16,5 14,2 32 550
* Наружный диаметр кожуха
nр – число рядов по вертикалидля горизонтальных аппаратов – по ГОСТ 15118-79;
h – расстояние между перегородками
Приложение №2
/>
Список используемой литературы
1. К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А.Носков «Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии»,10-ое издание, переработанное и дополненное. Под ред. П.Г. Романтшва. Л.:Химия, 1987.-576С.
2. «Основные процессы и аппаратыхимической технологии»: Пособие по проектированию / Г.С. Борисов, В.П. Брыков,Ю.И. Дытнерский и др. Под ред. Ю.И. Дытнерского, 2-ое издание, переработанное идополненное М.: Химия, 1991.-496С.
3. А.Г. Касаткин «Основные процессы иаппараты химической технологии». М.: Химия, 1971.-784С.
Размещено на www.