Главная Учебники - Разные Лекции (разные) - часть 52
Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
(ВолгГТУ)
Кафедра ПАХП
на тему: Расчет и подбор нормализованного 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 =1 и F= 9 Вариант №2: D = 325мм, n = 56, z =2 и F = 13 Расчет нагрузочной характеристики Заключение Приложение №1 Приложение №2 Список используемой литературы Аннотация
В данной семестровой работе рассматривается процесс передачи энергии в форме тепла и на основе расчетных данных осуществляется подбор теплообменного аппарата. В данном случае рассматривается процесс охлаждения жидкости с заданным расходом. Исходными материалами являются ацетон и скважинная вода. Вода является охладителем с начальной температурой равной Жидкости подаются в теплообменный аппарат противоточно, 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 осуществляется при условии, что поверхность теплообмена не будет превышать 10%
. Исходным материалом для расчета поверхности теплообменного аппарата является учебник: К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А. Носков «Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии». Введение
теплообменный аппарат ацетон В зависимости от способа передачи тепла различают две основные группы теплообменников: 1) поверхностные теплообменники, в которых перенос тепла между обменивающимися теплом средами происходит через разделяющую их поверхность теплообмена – глухую стенку; 2) теплообменники смешения, в которых тепло передается от одной среды к другой при их непосредственном соприкосновении. Теплообменники
и холодильники
могут устанавливаться горизонтально и вертикально, быть одно-, двух-, четырех- и шестиходовыми по трубному пространству. Трубы, кожух и другие элементы конструкции могут быть изготовлены из углеродистой или нержавеющей стали, а трубы холодильников – также и из латуни. Распределительные камеры и крышки холодильников выполняют из углеродистой стали. Кожухотрубчатые конденсаторы
предназначены для конденсации паров в межтрубном пространстве, а также для подогрева жидкостей и газов за счет теплоты конденсации пара. Они могут быть с неподвижной трубчатой решеткой или с температурным компенсатором на кожухе, также вертикальные и горизонтальные. От холодильников они отличаются большим диаметром штуцера для подвода пара в межтрубное пространство. В кожухотрубчатых испарителях
в трубном пространстве кипит жидкость, а в межтрубном пространстве может быть жидкий, газообразный, парообразный, парогазовый или парожидкостной теплоноситель. Эти теплообменники могут быть только вертикальные, с неподвижной трубной решеткой или с температурным компенсатором на кожухе. В работе используется кожухотрубчатый теплообменник. Кожухотрубчатые теплообменные аппараты могут использоваться в качестве теплообменников, холодильников, конденсаторов и испарителей. Этот теплообменник относится к числу наиболее часто применяемых поверхностных теплообменников. В теплообменнике одна из обменивающихся теплом сред движется внутри труб, а другая – в межтрубном пространстве. Среды обычно направляются противоположно друг другу. При этом нагреваемую среду направляют снизу вверх, а среду, отдающую тепло, - в противоположном направлении. Такое направление движения каждой среды совпадает с направлением, в котором стремится двигаться данная среда под влиянием изменения ее плотности при нагревании или охлаждении. Конструкции теплообменников должны отличаться простотой, удобством монтажа и ремонта. В ряде случаев конструкция теплообменника должна обеспечивать возможно меньшее загрязнение поверхности теплообмена 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 расход воды на охлаждение ацетона
Примем температуру ацетона на входе в теплообменник равной t
н1
= 56
0
С. Конечная температура ацетона, по условию задания, равной 36 0
С
. Вода подается в теплообменник с начальной температурой t
н2
= 17
0
С. Конечная температура равна t
н2
= 27
0
С. - средняя температура воды: Данным условиям соответствуют следующие физико-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 разность температур: 56→36 27←17
Т.к. Расчет где тогда - среднюю температуру исходного вещества: Данным условиям соответствуют следующие физико-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 2. Наметим варианты теплообменных аппаратов
Для этого определим ориентировочное значение площади поверхности теплообмена, принимая Для более интенсивного теплообмена необходим аппарат с турбулентным режимом течения теплоносителей. Направим в трубное пространство воду, а в межтрубное пространство – ацетон. Также для наиболее эффективного теплообмена необходимо, чтобы трубы в аппарате располагались в шахматном порядке. В теплообменниках с диаметром труб При этом число труб в аппарате обеспечивающих объемный расход исходного вещества при турбулентном режиме течения: Расчет и подбор теплообменных аппаратов
Вариант №1:
D
= 273 мм,
n
=37 ,
z
=1 и
F
=9 м2
:
Определим расчетное значение площади поверхности теплообмена и рассчитаем запас поверхности теплообмена у теплообменного аппарата данного типа. Размер стрелки сегмента: Расстояние между перегородками: Где Определим скорость и критерий Рейнольдса для исходного вещества Для воды: Определим коэффициенты теплоотдачи: - для воды: Теплоотдача течении в прямых трубах и каналах ( ε
l
= 1
– поправочный коэффициент, учитывающий влияние на коэффициент теплоотдачи отношения длины трубы к ее диаметру. Откуда Рассчитаем критерий Прандтля: Тогда по формуле: Принимаем значение Коэффициент теплоотдачи - для ацетона: Рассчитаем критерий Прандтля: Приняв Коэффициент теплоотдачи Применительно к кожухотрубчатым теплообменникам с поперечными перегородками в формуле принимают коэффициент Примем тепловую проводимость загрязнений стенки со стороны воды равной Тогда Коэффициент теплоотдачи рассчитаем по формуле: Поверхностная плотность теплового потока Расчетная площадь поверхности теплообмена составит Запас поверхности составляет при этом: Запас поверхности теплообмена данного аппарата не удовлетворяет условию. По аналогичной схеме рассчитаем другой вариант. 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 данного аппарата удовлетворяет условию. Расчет нагрузочной характеристики
Примем следующий интервал температур стенки со стороны горячего теплоносителя: T
1
=
/ 25 30 40 50 55/
0
С
Данным температурам соответствуют следующие физико-химические показатели исходного вещества: с1.1
=2220,7 Дж/(кг К)
– теплоемкость при t
ст
=25 0
C
; с1.2
= 2258,41 Дж/(кг К)
– теплоемкость при t
ст
=30 0
C;
с1.3
= 2283,55 Дж/(кг К)
– теплоемкость при t
ст
=40 0
C;
с1.4
=2308,69 Дж/(кг К)
– теплоемкость при t
ст
= 50 0
C;
с1.5
=2342,21 Дж/(кг К)
– теплоемкость при t
ст
=55 0
C;
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: Значение Nu
рассчитываем по формуле: Коэффициент теплоотдачи рассчитаем по формуле: Плотность теплового потока Определим температуру стенки со стороны холодного теплоносителя – воды: Данным температурам соответствуют следующие физико-химические показатели воды: с2.1
= 4231,9 Дж/(кг К)
– теплоемкость воды при t
ст
= 240
C
; с2.2
= 4252,9 Дж/(кг К)
– теплоемкость воды при t
ст
= 29,250
C;
с2.3
= 4273,8 Дж/(кг К)
– теплоемкость воды при t
ст
= 39,70
C;
с2.4
= 4315,7 Дж/(кг К)
– теплоемкость воды при t
ст
= 50,20
C;
с2.5
= 4336,7 Дж/(кг К)
– теплоемкость воды при t
ст
= 55,40
C;
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 считаем аналогично: Значение Прандтля: Т.к. все значения Re
>10000,
то значение Nu
: Коэффициент теплоотдачи: Плотность теплового потока: Далее строим графики зависимости Данной температуре (Т=29) соответствуют следующие 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 Re
иPr
: Коэффициент теплоотдачи: Коэффициент теплопередачи: Погрешность расчета: Заключение
Для достижения поставленной цели в данной семестровой работе рассматривались только нормализованные теплообменные аппараты (холодильники), без рассмотрения экономических факторов, таких как: металлоемкость, себестоимость, вес и т.п. В процессе приблизительной оценки были рассмотрены нормализованные теплообменные аппараты с внутренним диаметром кожуха 400мм
, 600мм
и 800мм
. Запас поверхности теплообмена, у теплообменника с внутренним диаметром кожуха 800мм,
не удовлетворял исходным требованиям, и в дальнейшем расчете нагрузочной характеристики не рассматривался. При рассмотрении теплообменных аппаратов с внутренним диаметром кожуха 400мм
и 600мм,
запас поверхности теплообмена составил, соответственно, 9,7%
и 5%.
Далее рассчитывалась нагрузочная характеристика аппаратов. Вследствие чего, теплообменный аппарат, с внутренним диаметром кожуха 600мм
, имел высокую ошибку при расчете коэффициента теплопередачи (свыше 10%), что не удовлетворяет условию задачи. Всем требуемым условиям соответствует двухходовой нормализованный кожухотрубчатый теплообменный аппарат с внутренним диаметром кожуха 400мм
, в количестве 2шт
. Приложение №1
* Наружный диаметр кожуха n
р
– число рядов по вертикали для 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 аппараты химической технологии»: Пособие по проектированию / Г.С. Борисов, В.П. Брыков, Ю.И. Дытнерский и др. Под ред. Ю.И. Дытнерского, 2-ое издание, переработанное и дополненное М.: Химия, 1991.-496С. 3. А.Г. Касаткин «Основные процессы и аппараты химической технологии». М.: Химия, 1971.-784С.
|