Материал: Расчет теплообменного аппарата
Расчет теплообменного аппарата
Аннотация
Данная работа посвящена расчету теплообменного аппарата.
В пояснительной записке отражены материальные, тепловые, гидравлические
расчеты, руководствуясь которыми можно произвести выбор типа аппарата и его
конструктивные размеры. Также приведены температурная схема процесса,
технологическая схема процесса, конструктивная схема аппарата, эскизы основных
элементов аппарата.
Задание на курсовую работу
Рассчитать теплообменный аппарат по следующим данным:
Тип аппарата: выбрать;
Производительность аппарата:
по нагреваемой среде: 4 т/ч;
а) состав: 10%-ая уксусная кислота;
б) начальная температура: 10оС;
в) конечная температура: 70оС;
г) давление: 1,5 атм.;
по охлаждаемой среде:
а) состав: 90%-ая уксусная кислота;
б) начальная температура: температура кипения;
в) конечная температура: 20оС;
г) давление: 1 атм.
Введение
Курсовая работа посвящается расчету теплообменного аппарата по заданным параметрам (см. стр. 2).
Курс «Процессы и аппараты химических технологий» является инженерной дисциплиной, представляющей собой важные раздел теоретических основ химической технологии. Данный курс освещает начала, которые должны быть синтетически использованы при разработке наиболее эффективных с технико-экономической точки зрения процессов производства в любых отраслях химической технологии. Таким образом, тема данной курсовой работы в рамках курса «Процессы и аппараты химических технологий» является весьма актуальной для изучения и проектирования сложных, в том числе химических, процессов химической технологии.
Целью данной работы является подробное изучение процесса теплообмена, исследование конструкций и особенностей теплообменных аппаратов.
Теплообменные аппараты (теплообменники) применяются для осуществления теплообмена между двумя теплоносителями с целью нагрева или охлаждения одного из них. В зависимости от этого теплообменные аппараты называют подогревателями или холодильниками.
По способу передачи тепла различают следующие типы теплообменных аппаратов:
поверхностные, в которых оба теплоносителя разделены стенкой, причем тепло передается через поверхность стенки;
регенеративные, в которых процесс передачи тепла от горячего теплоносителя к холодному разделяется по времени на два периода и происходит при попеременном нагревании и охлаждении насадки теплообменника;
смесительные, в которых теплообмен происходит при непосредственном соприкосновении теплоносителей.
В химической промышленности наибольшее распространение получили поверхностные теплообменники, отличающиеся разнообразием конструкций, основную группу которых представляют трубчатые теплообменники, такие как: кожухотрубные, оросительные, погруженные и "труба в трубе".
Достижение целей поставленных в данной работе осуществляется по средствам
изучения и выбора типа аппарата, согласно исходным данным. Проведения
необходимых материальных, тепловых и конструктивных расчетов, составления
графиков процесса.
. Теоретические основы теплообменного процесса
Тепловые процессы - технологические процессы, которые протекают со скоростью, обусловленной законами теплопередачи.
Теплообменные аппараты - аппараты, предназначенные для проведения тепловых процессов.
Теплоносители - тела (среды), котоpые принимают участие в теплообмене.
Существует три способа переноса тепла: теплопроводность, конвективный теплообмен и тепловое излучение.
Теплопроводность - явление переноса тепловой энергии непосредственным контактом между частичками тела.
Конвективный теплообмен - процесс распространения в следствии движения жидкости или газа.
Естественная (свободная) конвекция обусловлена разностью плотности в разных точках объема теплоносителя, который возникает вследствие разности температур в этих точках.
Вынужденная конвекция обусловлена принудительным движением всего объема теплоносителя.
Тепловое излучение - процесс передачи тепла от одного тела к другому, распространением электромагнитных волн в пространстве между этими телами.
Теплоотдача - процесс переноса тепла от стенки до теплоносителя или в обратном направлении.
Теплопередача - процесс передачи тепла от более нагретого менее нагретому теплоносителю через разделяющую их поверхность или твердую стенку.
При проектировании теплообменных аппаратов тепловой расчет сводится к определению необходимой поверхности теплообмена F, (м2), по основному уравнению теплопередачи.
. Тепловые и материальные расчеты
Различают два вида теплотехнических расчетов теплообменников: проектный и проверочный. Проектный расчет выполняется, когда расходы теплоносителей и их параметры заданы. Цель проектного расчета - определение площади поверхности теплообмена и конструктивных размеров выбранного аппарата. С помощью проверочного расчета выявляют возможность использования имеющихся теплообменников в условиях заданного процесса и определяют условия, обеспечивающие оптимальный режим работы аппарата.
По заданным параметрам (см. стр. 2) проводим проектный расчет, который включает в себя выбор типа и конструкции теплообменного аппарата, тепловой, конструктивный, гидравлический, механический и технико-экономический расчеты.
Тепловой расчет теплообменника заключается в определении необходимой
площади поверхности теплообмена, которую находят из основного уравнения
теплопередачи:
F=
, (2.1)
где Q - тепловая нагрузка теплообменного аппарата, определяемая из теплового баланса;
К - коэффициент теплопередачи;
∆tср - средний температурный напор.
Запишем уравнение теплового баланса в общем виде без учета потерь теплоты в окружающую среду:
=Q1=Q2 (2.2)
где Q1 - количество теплоты, отданной горячим теплоносителем, Вт;
Q2 - количество теплоты, сообщенной холодному теплоносителю, Вт.
Уравнение теплового баланса в общем виде с учетом потерь теплоты в окружающую среду:
1=Q2+ Qпот. (2.3)
Теплообмен протекает без изменения агрегатного состояния теплоносителей, тогда:
1=G1·c1·(t1н-t1к), (2.4)
Q2=G2·c2·(t2к-t2н). (2.5)
где G1, G2 - массовые расходы теплоносителей, кг/с;
c1, c2 - удельные массовые теплоемкости теплоносителей, Дж/(кг·К);
t1н, t1к - начальная и конечная температуры охлаждаемой среды (90%-ая уксусная кислота), К;
t2н, t2к - начальная и конечная температуры соответственно, нагреваемой среды (10%-ая уксусная кислота) соответственно, К.
Таким образом, уравнение теплового баланса примет вид:
= G1·c1·(t1н-t1к)= G2·c2·(t2к-t2н) (2.6)
Из уравнения (1.6) найдем расход теплоты на нагрев 10%-ой уксусной кислоты:
Q = G2·c2·(t2к-t2н)= 1,11 . 3603,5 . (70 - 10) = 240233,3 Вт,
где c2=3603,5 Дж/(кг·К) - средняя удельная теплоемкость 10%-ой уксусной кислоты (прил. III [3]);
G2=4 т/час=
Объемный расход 10%-ой уксусной кислоты:
V2 = G2/ρ2 = 1,11/1062 = 0,00104≈0,001 м3/с;
Расход охлаждаемой 90%-ой уксусной кислоты с учетом 7% потерь теплоты:
1=
(2.7)
1=2430,2 Дж/(кг·К) - средняя удельная теплоемкость 90%-ой уксусной кислоты (прил. III [3]);
t1н=108,5оС - температура кипения 90%-ой уксусной кислоты.
G2=
Объемный расход 90%-ой уксусной кислоты:
V1 = G1/ρ1 = 1,19/1004 = 0,0011≈0,001 м3/с;
ρ1 =1004 - плотность уксусной кислоты при 64,2оС [1, табл. IV].
Для
ориентировочного определения максимальной поверхности теплообмена необходимо
задаться коэффициентом теплопередачи. Согласно табл. 2.1 [2] минимальное
значение этого коэффициента, характеризующее теплообмен между органической
жидкостью (90%-ая уксусной кислоты) и органической жидкостью (10%-ой уксусной
кислоты), составляет Kмин = 300 Вт/(м2·К), максимальное значение коэффициента
теплопередачи составляет Kмакс = 800 Вт/(м2·К)
, 
Средняя
разность температур:
(2.8)
Температурная схема (см. рис. I приложение):
,5 → 20
← 10
∆tб = 38,5 ∆tм = 10
Средняя температура 90%-ой уксусной кислоты:
t1ср = (t1н + t1к)/2 = (108,5+20)/2 = 64,25 ºС
Средняя температура 10%-ой уксусной кислоты:
t2ср = t1ср - Dtcр = 64,25 - 21,16 = 43,1 °С.
3. Выбор типа и конструкции теплообменного аппарата
На основании ориентировочной оценки площади поверхности теплообмена и коэффициента теплопередачи подбираем вариант конструкции теплообменника и проводим уточненный расчет. Сопоставление ориентировочных и полученных при уточненном расчете значении площади поверхности теплообмена и коэффициента теплопередачи даст ответ на вопрос о пригодности выбранной конструкции теплообменника. При значительных отклонениях расчетных значений от выбранных следует перейти к другому варианту конструкции теплообменника и повторить уточненный расчет.
На основании условий теплообмена, полученных ориентировочных расчетов площади поверхности теплообмена и коэффициента теплопередачи, подробного изучения типов теплообменных аппаратов (с. 54 - 64 [2]) назначаем теплообменный аппарат типа «труба в трубе». Среды движутся в противотоке. В кольцевой зазор между трубами поступает охлаждаемая среда - 90%-ая уксусная кислота при атмосферном давлении, а по внутренней трубе - нагреваемая среда - 10%-ая уксусная кислота под давление 1,5 атм.
стенка
теплообменник труба гидравлический
. Уточненный расчет
Принимаем, что аппарат изготовленный из труб 38´3,5 (внутренняя труба) и 57´4 (наружная труба) [2c. 61].
Для обеспечения турбулентного течения уксусной кислоты в трубе при Re2 > 10 000 скорость в трубах должна быть больше ω'2:
, (4.1)
где μ2 = 0,82 . 10-3 Па . с - динамический коэффициент вязкости 10%-ой уксусной кислоты при 43,10С [1, табл.IX]. Для расчетов можно выбрать трубы диаметром 25×3 мм. Тогда внутренний диаметр труб равен: dвн = 38 - 3,5 · 2 = 31 мм.
Число параллельно работающих труб 38 x 3,5 мм, обеспечивающих объемный расход уксусной кислоты при Re2 = 10 000:
(4.2)
Для обеспечения устойчивого турбулентного режима движения нагреваемой среды принимаем n` = 3, тогда фактическая скорость раствора будет равна:
w2 = V2/0,785dвн2n`2r2 = 0,001/0,785×0,0312×3= 0,44 м/с.
Критерий Рейнольдса для 10%-ой уксусной кислоты:
2
= w2dвнr2/m2 = 0,44×0,031×1062/0,82×10-3 = 17665, (4.3)
режим
движения - турбулентный.
4.1 Коэффициент теплоотдачи от стенки к нагреваемой среде
Критерий Нуссельта:
2 = 0,023×Re20,8×Pr20,43×(Pr2/Pr2ст)0,25 (4.4)
Критерий Прандтля:
2 = с2·m2 /l2 = 3,6×0,82/0,395 = 7,4, (4.5)
l2 = 0,395 Вт/м×К - коэффициент теплопроводности 10%-ой уксусной кислоты при средней температуре.
Примем в первом приближении (Pr2/Pr2ст)0,25 = 1, тогда
Nu2 = 0,023×176650,8×7,40,43 = 136
a2 = Nu2l2/d2 = 136×0,395/0,031 =1733 Вт/(м2×K)
4.2 Коэффициент теплоотдачи от охлаждаемой (нагревающей) среды к стенке
Скорость воды в межтрубном пространстве:
1 = G1/[r10,785(Dвн2 - dн2)n] = (4.6)
= 1,19/1004×0,785×(0,0492 -
0,0382)×3 = 0,52 м/с,
где Dвн = 0,049 м - внутренний диаметр большой трубы,
dн = 0,038 м - наружный диаметр малой трубы.
Критерий Рейнольдса для 90%-ой уксусной кислоты:
1 = w1dэr1/m1,
где μ1 = 0,68 . 10-3 Па . с - динамический коэффициент вязкости 90%-ой уксусной кислоты при 64,20С [1, табл.IX].,
dэ - эквивалентный диаметр межтрубного пространства.
dэ = Dвн-dн = 0,049 - 0,038 = 0,011 м
Re1 = 0,52×0,011×1004/0,68×10-3 = 8445, 2320<8445<10000.
Режим движения - переходный.
Критерий Нуссельта:
1 = 0,008×Re10,9×Pr10,43 (4.7)
Критерий Прандтля:
1 = с1·m1 /l1 = 2,43×0,68/0,158 = 10,4, (4.8)
l1 = 0,158 Вт/м×К - коэффициент теплопроводности 90%-ой уксусной кислоты при средней температуре.
Nu1 = 0,008×84450,9×10,40,43=75.
a1 = Nu1l1/dэ = 75×0,158/0,011 =1077 Вт/(м2×K)
4.3 Тепловое сопротивление стенки
(4.9)
где d = 0,004 м - толщина стенки
lcт = 17,5 Вт/(м×К) - теплопроводность нерж. стали [1c. 529]
r1=r2=1/5800 м×К/Вт - тепловое сопротивление загрязнений [1c. 531]
=
(0,004/17,5) + (1/5800) + (1/5800) = 5,73×10-4 м×К/Вт
Вт/(м2×К)
4.5 Температура стенок
ст = tср+ KDtср/a (4.11)
Со стороны 10%-ой уксусной кислоты:
tст2 = t2ср+ KDtср/a2= 43,1 + 481×21,16/1733 = 48,9° С,
Prст2= 6,8 при температуре 48,9° С, значит
a1ут =1733×(7,4/6,8)0,25 =1770 Вт/(м2×К).
Со стороны 90%-ой уксусной кислоты:
tст1 = t1ср - KDtср/a1 = 64,25 - 481×21,16/1077 = 54,8° С,
.6 Уточненный расчет коэффициента теплопередачи
Вт/(м2×К)
Проверяем температуру стенки:
tст1 = t1ср - KDtср/a1 = 64,25 - 484×21,16/1077 = 54,7° С
tст2 = t2ср - KDtср/a2 = 43,1+ 484×21,16/1770 = 48,8° С
Полученные значения близки к ранее принятым и дальнейшего уточнения не требуется
.7 Поверхность теплообмена
Fмин<F< Fмакс, расчет удовлетворителен.
4.8 Выбор стандартного аппарата
По ГОСТ 8930-78 [2c. 61] выбираем стандартные неразборные элементы длиной 6,0 м, для которых поверхность теплообмена равна 0,72 м2, тогда число элементов в одном ряду составит:
N = F/(nF1) =23,45/(3×0,72) = 10,85 принимаем N = 11.