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:

1 Тип аппарата: выбрать;

2 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.

1. 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.

2. 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:

Q=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:

Q1=Q2+ Qпот. (2.3)

Теплообмен протекает без изменения агрегатного состояния теплоносителей, тогда:

Q1=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:

Q= 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) = 240 233,3 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/?2 = 1,11/1062 = 0,104?0,001 м3/с;

?2 = 1062 кг/ м3 — плотность уксусной кислоты при 40оС [1, табл. IV].

Расход охлаждаемой 90%-ой уксусной кислоты с учетом 7% потерь теплоты:

G1= (2.7)

c1=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/?1 = 1,19/1004 = 0,0011?0,001 м3/с;

?1 =1004 — плотность уксусной кислоты при 64,2оС [1, табл. IV].

Для ориентировочного определения максимальной поверхности теплообмена необходимо задаться коэффициентом теплопередачи. Согласно табл. 2.1 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):

108,5 > 20

70 < 10

?tб = 38,5 ?tм = 10

Средняя температура 90%-ой уксусной кислоты:

t1ср = (t1н + t1к)/2 = (108,5+20)/2 = 64,25 ?С Средняя температура 10%-ой уксусной кислоты:

t2ср = t1ср — tcр = 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

4. Уточненный расчет Принимаем, что аппарат изготовленный из труб 383,5 (внутренняя труба) и 574 (наружная труба) [2c. 61].

Для обеспечения турбулентного течения уксусной кислоты в трубе при Re2 > 10 000 скорость в трубах должна быть больше ?'2:

(4.1)

где ?2 = 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 38×3,5 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`22 = 0,001/0,7850,3 123= 0,44 м/с.

Критерий Рейнольдса для 10%-ой уксусной кислоты:

Re2 = w2dвн2/2 = 0,440,311 062/0,8210−3 = 17 665, (4.3)

режим движения — турбулентный.

4.1 Коэффициент теплоотдачи от стенки к нагреваемой среде

Критерий Нуссельта:

Nu2 = 0,023Re20,8Pr20,43(Pr2/Pr2ст)0,25 (4.4)

Критерий Прандтля:

Pr2 = с2· 2 /2 = 3,60,82/0,395 = 7,4, (4.5)

2 = 0,395 Вт/мК — коэффициент теплопроводности 10%-ой уксусной кислоты при средней температуре.

Примем в первом приближении (Pr2/Pr2ст)0,25 = 1, тогда

Nu2 = 0,23 176 650,87,40,43 = 136

2 = Nu22/d2 = 1360,395/0,031 =1733 Вт/(м2K)

4.2 Коэффициент теплоотдачи от охлаждаемой (нагревающей) среды к стенке

Скорость воды в межтрубном пространстве:

w1 = G1/[10,785(Dвн2 — dн2) n] = (4.6)

= 1,19/10 040,785(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:

Re1 = w1dэ1/1,

где ?1 = 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 = 0,520,111 004/0,6810−3 = 8445, 2320<8445<10 000.

Режим движения — переходный.

Критерий Нуссельта:

Nu1 = 0,008Re10,9Pr10,43 (4.7)

Критерий Прандтля:

Pr1 = с1· 1 /1 = 2,430,68/0,158 = 10,4, (4.8)

1 = 0,158 Вт/мК — коэффициент теплопроводности 90%-ой уксусной кислоты при средней температуре.

Nu1 = 0,884 450,910,40,43=75.

1 = Nu11/dэ = 750,158/0,011 =1077 Вт/(м2K)

4.3 Тепловое сопротивление стенки

(4.9)

где = 0,004 м — толщина стенки

cт = 17,5 Вт/(мК) — теплопроводность нерж. стали [1c. 529]

r1=r2=1/5800 мК/Вт — тепловое сопротивление загрязнений [1c. 531]

= (0,004/17,5) + (1/5800) + (1/5800) = 5,7310−4 мК/Вт

4.4 Коэффициент теплопередачи

(4.10)

Вт/(м2К)

4.5 Температура стенок

tст = tср+ Ktср/ (4.11)

Со стороны 10%-ой уксусной кислоты:

tст2 = t2ср+ Ktср/2= 43,1 + 48 121,16/1733 = 48,9 С,

Prст2= 6,8 при температуре 48,9 С, значит

1ут =1733(7,4/6,8)0,25 =1770 Вт/(м2К).

Со стороны 90%-ой уксусной кислоты:

tст1 = t1ср — Ktср/1 = 64,25 — 48 121,16/1077 = 54,8 С,

4.6 Уточненный расчет коэффициента теплопередачи

Вт/(м2К)

Проверяем температуру стенки:

tст1 = t1ср — Ktср/1 = 64,25 — 48 421,16/1077 = 54,7 С

tст2 = t2ср — Ktср/2 = 43,1+ 48 421,16/1770 = 48,8 С

Полученные значения близки к ранее принятым и дальнейшего уточнения не требуется

4.7 Поверхность теплообмена

Fмин

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/(30,72) = 10,85 принимаем N = 11.

5. Гидравлический расчет

5.1 Коэффициент трения раствора трубах

Скорость среды в трубах: w2 = 0,44 м/с

Относительная шероховатость:

e2 = /dвн = 0,0002/0,031 = 0,0064 (5.1)

где = 0,0002 м — шероховатость труб [2c. 14]

Коэффициент трения. Так как выполняется условие:

10/е2 = 10/0,0064 =1562,5 < Re2 < 560/e2 = 560/0,0064 = 87 500 (5.2)

то коэффициент трения будет равен:

2 = 0,11(е2 + 68/Re2)0,25 = 0,11(0,0064 + 68/17 665)0,25 = 0,035 (5.3)

5.2 Сумма местных сопротивлений

= 1 + 2 + 43 = 0,5 + 1,0 + 80,154 = 2,73 (5.4)

где 1 = 0,5 — вход в трубу [2c.14],

2 = 1,0 — выход из трубы,

3 = АВ = 1,40,11 = 0,154 — отвод круглого сечения.

5.3 Гидравлическое сопротивление трубного пространства

= (0,0356· 11/0,031 + 2,73)10620,442/2 =7941 Па (5.5)

5.4 Подбор насоса

Требуемый напор насоса:

Н = Р/(g) =7941/(10 629,8) = 0,76 м (5.6)

Объемный секундный расход:

Q = 0,0011 м3/с (5.7)

По этим двум величинам выбираем центробежный насос Х8/18, для которого производительность Q = 2,410−3 м3/с, напор Н = 11,3 м [2c. 38].

5.5 Коэффициент трения для воды в межтрубном пространстве

Скорость среды в межтрубном пространстве w1= 0,52 м/с

Относительная шероховатость:

e1= /dэ = 0,0002/0,011 = 0,018 (5.8)

Так как выполняется условие:

10/е1 = 10/0,018 = 555 < Re1 < 560/e1 = 560/0,018 = 31 111,

то коэффициент трения будет равен:

1 = 0,11(е1 + 68/Re1)0,25 = 0,11(0,018 + 68/8445)0,25 = 0,044.

5.6 Сумма местных сопротивлений

=11(1 + 2) = 16,5 (5.9)

где 1 = 0,5 — вход в трубу [2c.14],

2 = 1,0 — выход из трубы.

5.7 Гидравлическое сопротивление межтрубного пространства

= (0,0446· 11/0,011 + 16,5)10040,522/2 =8212 Па.

5.8 Подбор насоса

Требуемый напор насоса:

Н = Р/(g) = 8212/(10 049,8) = 0,83 м.

Объемный секундный расход:

Q = 1,110−3 м3/с.

По этим двум величинам выбираем центробежный насос Х8/18, для которого производительность Q = 2,410−3 м3/с, напор Н = 11,3 м [2c. 38].

6. Конструктивный расчет

Основные размеры выбранного теплообменного аппарата тип «труба в трубе» были определены ранее (пункт 4). Итак имеем:

Рисунок 6.1 — Теплообменный элемент

Теплообменник типа «труба в трубе» неразъемный:

диаметр теплообменных труб: 38×3,5 мм;

диаметр труб кожуха: 57×4 мм;

число элементов в одном ряду: 11;

длина труб: 6 м;

поверхность теплообмена: 23,45 м²;

число параллельно работающих труб: 3.

Также подберем основные конструктивные элементы аппарата.

6.1 Соединение элементов

Соединение элементов между собой осуществляется с помощью калачей радиусом 100 мм изогнутых на 180.

6.2 Фланцы

Калачи и внутренне трубы снабжены плоскими приварными фланцами по ГОСТ 12 820–80 при Р=1,6 МПа, конструкция и размеры которых приводятся ниже:

Рисунок 6.2 — Эскиз фланца

Таблица 6.2 Основные размеры фланца

6.3 Опоры

Теплообменник крепится на сварном каркасе изготовленных из уголка № 5. Теплообменные элементы к опоре крепятся болтами с помощью хомутов

Рисунок 6.3- Схема крепления теплообменника

7. Характеристика и схема установки

Теплообменник «труба в трубе» включают несколько расположенных друг над другом элементов, причем каждый элемент состоит из двух труб: наружной трубы большего диаметра и концентрически расположенной внутри нее трубы меньшего диаметра. Внутренне трубы элементов соединены друг с другом последовательно; так же связаны между собой наружные трубы. Для возможности очистки внутренне трубы соединяются при помощи съемных калачей.

Благодаря небольшому поперечному сечению в этих теплообменниках легко достигаются высокие скорости теплоносителей в как в трубах, так и в межтрубном пространстве. При значительных количествах теплоносителей теплообменник составляют из нескольких параллельных секций, присоединяемых к общим коллекторам.

Преимущества теплообменников «труба в трубе» :

— высокий коэффициент теплопередачи в следствии большой скорости

обоих теплоносителей;

— простота изготовления.

Недостатки этих теплообменников:

— громоздкость;

— высокая стоимость ввиду большого расхода металла на наружные

трубы, не участвующие в теплообмене;

— трудность очистки межтрубного пространства.

Теплообменники «труба в трубе» могут использоваться, как для нагревания, так и для охлаждения.

Нагревание обычно производится или горячей водой или насыщенным водяным паром, который запускается в межтрубное пространство и конденсируется на поверхности внутренней трубы. Также распространение такие теплообменники получили для теплообмена между средами жидкость — жидкость.

При охлаждении в теплообменниках «труба в трубе» в качестве хла-доагента может использоваться речная или артезианская вода, а в случае, когда требуется получить температуру ниже 5−20°С применяют холодильные рассолы (водные растворы СаС12, NaCl, и др.).

При небольших тепловых нагрузках, когда требуемая поверхность нагрева не превышает 20 — 30 м², целесообразно применение теплообменников типа «труба в трубе». Такие теплообменники изготавливаются следующих типов:

— неразборные однопоточные малогабаритные;

— разборные однои двухпоточные малогабаритные;

— разборные однопоточные;

— неразборные однопоточные;

— разборные многопоточные.

Рисунок 7.1- Неразборный теплообменник типа «труба в трубе»: (1 — теплообменная труба; 2 — кожуховая труба; 3 — калач)

Рисунок 7.2 — Технологическая схема процесса

Уксусная кислота 10%-ая, из расходной емкости РЕ, с помощью центробежного насоса Н подается в трубное пространство элемента Э теплообменника «труба в трубе». В межтрубное пространство теплообменника подается греющий среда — 90%-ая уксусная кислота, который через стенку трубы подогревает нагреваемую среду. Кислота подогретая за счет теплопередачи поступает в приемную емкость (см. рис. 7.2).

Выводы

После проведенных предварительных и проверочных расчетов, сравнении намеченных и полученных уточненных результатов, изучения существующих типов и конструкций теплообменников, можно заключить, что выбранный теплообменник типа «труба в трубе» удовлетворяет требованиям заданного процесса теплообмена.

Также учтена рекомендация по выбору наиболее простых по конструкции и наиболее дешевых по материалам теплообменников.

Заключение

При выполнении курсовой работы были использованы и закреплены знания, полученные дисциплине «Процессы и аппараты химической технологии».

Целью данного проекта является расчет процесса теплообмена, выбор и расчет теплообменного аппарата.

В ходе решения поставленной задачи курсовой работы, была освоена методика тепловых и материальных расчетов теплообменных процессов, выбор и расчет теплообменных аппаратов, получены навыки конструкторского расчета теплообменных аппаратов, позволяющие обеспечить заданный теплообменный процесс. Закреплены навыки применения технической литературы, ГОСТов и стандартов.

В ходе тепловых и материальных расчетов был намечен конкретный теплообменный аппарат типа «труба в трубе». По результатам уточненных и проверочных расчетов заключили о пригодности намеченных данных.

Также проведены гидравлические расчеты процесса и аппарата, по результатам которых подобраны насосы.

1 Павлов К. Ф., Романков П. Г., Носков А. А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии: Учебное пособие для вузов. М.: ООО ТИД «Альянс», 2005.

2 Дытнерский Ю. И. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию/Борисов Г. С., Брыков В. П., Дытнерский Ю. И. и др., 2-е изд., перераб. и дополн. М.: Химия, 1991.

3 Плановский А. Н., Рамм В. М., Каган С. З. Процессы и аппараты химической технологии. М.: Химия, 1968. 847 с.

4 Тимонин А. С. Основы конструирования и расчета химико-технологического и природоохранного оборудования. Справочник. 2 том. Издательство Н. Бочкаревой. Калуга 2002.

5 Иоффе И. Л. Проектирование процессов и аппаратов химической технологии: Учебник для техникумов. — Л.: Химия, 1991. — 352 с., ил.

6 Локотанов Н. С., Ермаков С. А. Методические указания к курсовому проектированию по дисциплине «Процессы и аппараты химической технологии» Екатеринбург ГОУ ВПО УРГУ-УПИ, 2003, 42 с.

.ur