Расчет теплообменного аппарата
Работа добавлена на сайт samzan.net:
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Южно-Уральский государственный университет»
(Национальный исследовательский университет)
Факультет «Химический»
Кафедра «Экология и природопользование»
Курсовая работа
«Расчет теплообменного аппарата»
241000.‒334.05.14.894.ПЗ КР
Нормоконтролер: к.х.н. доц.каф. ЭкиП Проверил: к.х.н. доц.каф. ЭкиП
Юдина Е.П.. Юдина Е.П.
« » 2014 г « » 2014 г
Автор работы
Студент группы Хим-334
Бут К.Г.
« » 2014 г
Челябинск 2014
АННОТАЦИЯ
Бут К.Г. Пояснительная записка к курсовому
проекту по курсу расчет теплообменных
аппаратов. ‒ Челябинск: ЮУрГУ, 2014, 21 с.,
Библиогр. список ‒ 4 наименований.
В данной работе проводится расчет теплообменного аппарата . В этой
части ведется расчет тепловой нагрузки, расчет теплового баланса, определение
температурного режима. Из заданных начальных условий определяются
параметры и вариант конструкции.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение...............................................................................................................5
1.Теоретическая часть........................................................................................6
1.1 Классификация теплообменных аппаратов...........................................6
1.2 Рекомендации по выбору теплообменника.........................................10
1.3 Варианты схем движения теплоносителей в теплообменнике...........11
1.4 Виды теплообменного оборудования.................................................13
1.5 Применение тепловых аппаратов.........................................................15
2. Расчетная часть............................................................................................16
Заключение.......................................................................................................20
Библиографический список..............................................................................21
Приложение......................................................................................................22
Введение
Теплообменный аппарат – устройство, в котором осуществляется передача теплоты от горячего теплоносителя к холодному (нагреваемому). Теплоносителями могут быть газы, пары, жидкости. В зависимости от назначения теплообменные аппараты используют как нагреватели и как охладители. Применяется в технологических процессах нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической, газовой и других отраслях промышленности, в энергетике и коммунальном хозяйстве[1].
1.1Классификация теплообменных аппаратов
Теплообменные аппараты можно классифицировать по следующим при-знакам:
‒ по принципу действия: поверхностные и смесительные;
‒ по назначению: холодильники, подогреватели, конденсаторы, испарите-ли;
‒ по направлению движения теплоносителей: прямоточные, противоточ-ные, перекрестного тока и др.
Рассмотрим более подробно классификацию теплообменных аппаратовпо принципу действия. В соответствии с этим классификационным признаком поверхностные аппараты можно подразделить на следующие типы в зависимости от вида поверхности теплообмена:
‒ аппараты с трубчатой поверхностью теплообмена (кожухотрубчатые теп-
лообменники, теплообменники «труба в трубе», оросительные теплооб-
менники, змеевиковые теплообменники);
‒ аппараты с плоской поверхностью теплообмена (пластинчатые теплооб-
менники, спиральные теплообменники, аппараты с рубашкой).
1. Кожухотрубчатые теплообменники
Основными элементами кожухотрубчатых теплообменников являются пучки труб, трубные решетки, корпус, крышки, патрубки. Концы труб крепятся в трубных решетках развальцовкой, сваркой и пайкой. Кожухотрубчатые теплообменники могут быть вертикальными, горизонтальными и наклонными в соответствии с требованиями технологического процесса или удобства монтажа. В зависимости от величины температурных удлинений трубок и корпуса применяют кожухотрубчатые теплообменники жесткий, полужесткой и нежесткой конструкции.
Рис. 1. − Кожухотрубчатый теплообменник
2. Двухтрубные теплообменники типа “труба в трубе”
Теплообменники этого типа состоят из ряда последовательно соединенных звеньев. Каждое звено представляет собой две соосные трубы. Двухтрубные теплообменники, имеющие значительную поверхность нагрева, состоят из ряда секций, параллельно соединенных коллекторами. Такие теплообменники часто применяют как жидкостные или газожидкостные. Подбором диаметров внутренней и наружной труб можно обеспечить обеим рабочим средам, участвующим в теплообмене, необходимую скорость для достижения высокой интенсивности теплообмена.
Рис. 2. − Двухтрубный теплообменник типа “труба в трубе”
3. Витые теплообменники
Поверхность нагрева витых теплообменников компонуется из ряда концентрических змеевиков, заключенных в кожух и закрепленных в соответствующих головках. Теплоносители движутся по трубному и межтрубному пространствам. Витые теплообменники широко применяют в аппаратуре высокого давления для процессов разделения газовых смесей методом глубокого охлаждения. Эти теплообменники характеризуются способностью к самокомпенсации, достаточной для восприятия деформаций от температурных напряжений.
Рис. 3. − Витой теплообменник
4. Погружные теплообменники
Теплообменники этого типа состоят из плоских или цилиндрических змеевиков (аналогично витым), погруженных в сосуд с жидкой рабочей средой. Вследствие малой скорости омывания жидкостью и низкой теплоотдачи снаружи змеевика погружные теплообменники являются недостаточно эффективными аппаратами. Их целесообразно использовать, когда жидкая рабочая среда находится в состоянии кипения или имеет механические включения, а также при необходимости применения поверхности нагрева из специальных материалов (свинец, керамика, ферросилид и др.), для которых форма змеевика наиболее приемлема.
5. Оросительные теплообменники
Оросительные теплообменники представляют собой ряд расположенных одна над другой прямых труб, орошаемых снаружи водой. Оросительные теплообменники применяют главным образом в качестве холодильников для жидкостей и газов или как конденсаторы. Орошающая вода равномерно подается сверху через желоб с зубчатыми краями. Вода, орошающая трубы, частично испаряется, вследствие чего расход ее в оросительных теплообменниках несколько ниже, чем в холодильниках других типов. Оросительные теплообменники – довольно громоздкие аппараты; они характеризуются низкой интенсивностью теплообмена, но просты в изготовлении и эксплуатации. Их применяют, когда требуется небольшая производительность, а также при охлаждении химически агрессивных сред.
6. Ребристые теплообменники
Ребристые теплообменники применяют для увеличения теплообменной поверхности оребрением с той стороны, которая характеризуется наибольшими термическими сопротивлениями. Ребристые теплообменники (калориферы) используют, например, при нагревании паром воздуха или газов. Важным условием эффективного использования ребер является их плотное соприкосновение с основной трубой (отсутствие воздушной прослойки), а также рациональное размещение ребер.
Ребристые теплообменники широко применяют в сушильных установках, отопительных системах и как экономайзеры.
Выделяют также следующие теплообменники: спиральные теплообменники, пластинчатые теплообменники, графитовые теплообменники, элементные (секционные) теплообменники[1].
1.2 Рекомендации по выбору теплообменников
Выбор теплообменника предполагает выбор такого устройства, который
будет охлаждать или нагревать определенный объект, при этом будет долго и
эффективно находится в эксплуатации. Но, несмотря на главные функции,
существует множество критериев параметров и технических характеристик,
которые следует учесть при выборе.
Выбор теплообменника по основным техническим характеристикам
Осуществляя выбор важно обратить внимание на соответствие аппарата
существующему технологическому процессу обработки или производства
определенного продукта. Для этого у вас должна быть возможность регулировать
температурный режим. Кроме того, теплообменное оборудование должен быть
способен поддерживать указанную температуру на заданное время. Кроме того,
материал, из которого было осуществлено производства аппарата,
должен соответствовать химическим и физическим свойствам самого продукта.
Сам он должен соответствовать всем давлениям рабочих мест, присутствующих
на производстве. Немаловажным является и качество работы. Ведь от
эффективности и экономичности работы устройства будет в какой-то степени
зависеть и успешность самого производства. Экономичность определяется
сохранением всех гидравлических сопротивлений, но при этом и увеличения
интенсивности теплообменных свойств [3].
1.3 Варианты схем движения теплоносителей в теплообменнике
Перекрестный ток с противотоком. В некоторых случаях конфигурация течения
теплоносителей в реальных теплообменниках приблизительно соответствует
идеализированным схемам, приведенным на рис. 4. Эти схемы
классифицируются как перекрестный ток с противотоком.
Рис. 4. Схема теплообменников со смешанным движением теплоносителей
(перекрестный ток с противотоком),показаны двух-, трех- и четырехходовые
теплообменники. Возможное число ходов, естественно, не ограничено.
Многоходовое течение в межтрубном пространстве и трубах. В пределах
одного теплообменника можно осуществить комбинацию некоторых характерных
черт, это достигается поворотом труб внутри единого корпуса. Такие повороты
можно осуществлять многократно. Аналогичный эффект может быть достигнут и
при наличии прямых труб, если соответствующим образом организовать
коллекторы: U-образные трубы, или серпантин, обеспечивают более простую
конструкцию аппарата, посколькуотверстия для прохода труб в этом случае
нужно выполнять не с двух, а с одной стороны кожуха. Примеры
идеализированных конфигураций этого типа показаны на рис. 5. Здесь приведены
схемы с объединением нескольких кожухов.
Рис. 5. Схема движения теплоносителей в многоходовых кожухотрубных теплообменниках
Общий случай. Все описанные выше идеализированные схемы движения
теплоносителей представляют собой частные варианты общего случая
многоходовых течений взаимно проникающих сплошных сред. При этом
различные потоки теплоносителей поступают в общий объем в нескольких
фиксированных входных точках и покидают его в нескольких фиксированных
выходных точках, разделяясь после входа в объеме теплообменника и вновь
объединяясь в выходных точках[3].
Рис. 6. Общий случай взаимопроникающих сред для двух теплоносителей (твердые элементы типа труб, перегородок и т. п. не изображены)
1.4 Виды теплообменного оборудования
Используется много типов кожухотрубных теплообменников; конкретный
выбор типа аппарата зависит от относительной значимости отдельных факторов и
назначения аппарата.
Испарители, бойлеры и ребойлеры. Если теплообменник предназначен для
перевода одного из теплоносителей из жидкого состояния в парообразное,
применяют модифицированный кожухотрубный аппарат. Теплообменники,
генерирующие пар , обычно снабжают объемами, в которых может быть
осуществлена сепарация жидкости и пара.
Если пар генерируется внутри труб, то сепарация осуществляется либо в верхних
коллекторах больших размеров, либо в дополнительных емкостях, соединенных с
коллекторами. Если пар генерируется в межтрубном пространстве, то внутри
кожуха (корпуса) может быть предусмотрена свободная от труб зона насколько
можно большего диаметра. В испарителях с генерацией пара в трубах также часто
организуется подобная рециркуляция, которая может быть либо естественной
(под действием силы тяжести), либо принудительной (осуществляемой с
помощью насоса).
Конденсаторы. Гравитационная сепарация жидкости и пара играет важную
роль и в обеспечении работы конденсаторов, конструкции которых также весьма
многообразны и в большой степени определяются отношением количества
конденсирующегося и неконденсирующегося компонентов в потоке охлаждаемой
жидкости. Даже если охлаждаемый поток пара теоретически может быть
сконденсирован полностью ( например, в паровых конденсаторах
электростанций), присосы воздуха могут сделать необходимым отвод части
неконденсирующейся фазы. При этом скорости течения должны быть такими,
чтобы восходящий поток воздуха не уносил с собой стекающую вниз воду. Это
требование обеспечивается устройством соответствующих коридоров между
пучками труб.
Градирни. Охлаждающая вода, пропускаемая через конденсатор
электростанции или используемая в химической установке, часто должна быть
охлаждена в свою очередь путем контакта с окружающим воздухом. Для этого
используются так называемые градирии. В градирнях с опосредованным
контактом теплоносителей охлаждающая вода отделена от воздуха твердой
стенкой, обычно стенкой металлической трубы. Стенка трубы с воздушной
стороны часто снабжена ребрами для интенсификации теплопередачи.
Сооружение подобных градирен без прямого контакта сред (часто их в отличие
от мокрых градирен с прямым контактом теплоносителей называют сухими)
обходится дорого, однако эти градирни предотвращают потери воды в атмосферу.
Сушильные установки. В некоторых теплообменниках необходимо осуществлять
испарение воды (или какой-либо иной жидкости). Этой цели служат упомянутые
выше испарители, а также сушильные установки, в которые твердый материал
поступает с большим содержанием влаги, а после взаимодействия с потоком
должен покинуть аппарат, имея низкое влагосодержание.
Топки. Если сжигание топлива осуществляется внутри теплообменника, а не во
внешней камере сгорания (как, например, в газотурбинной установке),
теплообменник можно назвать топкой или подогревателем с огневым нагревом.
Теплообменники этого типа различаются по форме в зависимости от рода
сжигаемого топлива (газообразное, жидкое или твердое), нагреваемому
материалу (им может быть мазут в экранированных трубами топках, ванна
расплавленного чугуна, кладка твердых изделий из глины) и производительности
установки [3].
1.5 Применение теплообменных аппаратов
Минувшее десятилетие сопровождалось бурным внедрением новых, ранее не
использовавшихся в народном хозяйстве и, в частности, в коммунально
м хозяйстве объектов техники. Это и дотоле невиданные настенные, полностью
автоматизированные котлы, и многофункциональная высокоточная автоматика, и
абсолютно бесшумные насосы с мокрым ротором, и современные теплообменные
аппараты (как пластинчатые, так и интенсифицированные кожухотрубные типа
ТТАИ), имеющие потребительские свойства как минимум в разы лучшие, чем их
предшественники, использовавшиеся в коммунальном хозяйстве в советское
время. И если ко всей вновь пришедшей технике (принципиально новые котлы,
бесфундаментные насосы, новая импортная автоматика) сразу сформировалось
уважительное отношение не только у проектантов систем и монтажно-
наладочных организаций, но и в среде персонала, эксплуатирующего
оборудование, то теплообменным аппаратам «повезло» куда меньше. Если
отношение к современным котлам-насосам-автоматике у эксплуатирующего
персонала даже более чем уважительное, в ряде случаев более подходит слово
«напуганное», то отношение к теплообменникам практически повсеместно
осталось таким, каким и было. В итоге создалась коллизия – с одной стороны
современные, высокоэффективные, дорогие (очень дорогие) теплообменные
аппараты и, с другой стороны, халатное, непрофессиональное к ним
отношение[3].
2. Расчет теплообменника
Определим расход теплоты и расход жидкости. Примем индекс "1" для горячего теплоносителя (фосфорная кислота), индекс "2" ‒ для холодного теплоносителя (раствор коррозионно‒активная жидкость с физикохимическими свойствами, близкими к свойствам воды).
Предварительно найдем среднюю температуру раствора:
= 0,5(8 + 12) = 10 °C;
среднюю температуру фосфорной кислоты:
= + Δ = 10 + 29 = 39 °С;
где Δ ‒ средняя разность температур, равная при противотоке теплоносителей 29 К.
+70 → +20 фосфорная кислота
+12 ← +8 раствор
Δ = 58 Δ = 12
Δ = = ≈ 29 К.
С учетом потерь холода в размере 5% расход теплоты:
Q = 1,05 = 1,05 1000/3600 2064,1 (70 ‒ 20) = 30105 Вт;
расход раствора:
= = = 2,0 кг/с,
где = 2064,1 Дж/(кг К) и = 3800 Дж/(кг К) ‒ удельные теплоемкости фосфорной кислоты и раствора при их средних температурах
= 39 °С и = 10 °С.
Объемные расходы фосфорной кислоты и раствора:
= / = 0,27/ 1360 = 0,00020 /с;
= / = 2,0/ 890 = 0,0022 /с,
где = 1360 /с и = 890 /с ‒ плотность фосфорной кислоты и раствора.
Определим ориентировочно значение площади поверхности теплообмена полагая
= 160 Вт/ () по табл. 4.8, [2] т.е. приняв его как при теплообмене от жидкости к жидкости (вода):
= = = 6,49 ≈ 6,5 .
Для обеспечения турбулентного течения воды при Re > 10000 скорость в трубах должна быть больше :
= = = 0,72 м/с,
где = Па с ‒ вязкость раствора при = +10 °С, ‒ внутренний диаметр труб.
Как следует из табл. 4.12 [2], можем использовать аппарат кожухотрубчатый холодильник, одноходовый диаметром D = 273 мм с трубами 25х2 мм (ГОСТ 15122‒79).
Скорость и критерий Рейнольдса для раствора:
= = = = 0,17 м/с,
где = 37 ‒ число труб (ГОСТ 15122‒79)
= = = 2371
Скорость и критерий Рейнольдса для фосфорной кислоты:
= = = 0,018 м/с
= = = 45,33
где = 1,1 ‒ проходное сечение межтрубного пространства (ГОСТ 15120 ‒ 79), Па с ‒ динамический коэффициент вязкости фосфорной кислоты при ее средней температуре.
Для расчета процесса теплоотдачи необходимо знать температуры и . Зададимся значениями и , исходя из того, что > > > , например = 20 ; = 13
Вертикальное расположение труб при несовпадении свободной и вынужденной конвекции (движение жидкости в вертикальной трубе снизу вверх при охлаждении и сверху вниз при нагревании):
= 0,037,
где n = 0,25 при охлаждении (табл. 4.4) [2]
Критерий Прандтля для фосфорной кислоты при 40 :
= = = 41,
где = 0,68 Вт/(м К) ‒ коэффициент теплопроводности фосфорной кислоты при 40 .
= 0,037 (1) = 1, 6
где = Па с ‒ динамический коэффициент вязкости фосфорной кислоты при = 20 .
Коэффициент теплоотдачи для фосфорной кислоты:
= = 1,6 0,68/ = 54,4 Вт/( К).
= 0,037 = 0,037 = 46,38
где = Па с ‒ динамический коэффициент вязкости раствора при = 13 (рис. V) [2].
= = = 24,25
Коэффициент теплоотдачи для раствора:
= = 46,38 0,21 / 0,021 = 463,8 Вт/( К).
Принимаем тепловую проводимость загрязнений со стороны горячего
1/ = 5800 Вт/( К) и холодного 1/ = 2900 Вт/( К) теплоносителей (табл. XXXI) [2]. Коэффициент теплопроводности стали
= 46,5 Вт/(м К) (табл. XXVIII) [2].
= 17,84,9 Вт/( К).
Коэффициент теплопередачи:
K = = = 50 Вт/( К).
Поверхностная плотность теплового потока:
q = K Δ = 50 29 = 1450 Вт/
Расчетная площадь поверхности теплоотдачи:
= Q/q = 30105/ 1450 = 20,76
Площадь поверхности теплопередачи одного аппарата с трубами L = 1,5 м:
= = 3,140,018 37 1,5 = 3,14
Необходимое число аппаратов для кожухотрубчатого холодильника одноходового (ГОСТ 15122-79):
N = / = 20,76/ 3,14 = 6,6 ≈ 7
Запас:
= 100 = 5,9 ≈ 6%
Заключение
В данной работе производился расчет теплообменных аппаратов. Определили расход теплоты и расход жидкости. Скорость и критерий Рейнольдса для фосфорной кислоты и раствора, коэффициент теплоотдачи для фосфорной кислоты и раствора, расчетную площадь поверхности теплоотдачи. Используемый аппарат кожухотрубчатый холодильник одноходовый (ГОСТ 15122 -79)
|
Характеристики |
Значение |
|
1. Расход теплоты |
30105 Вт |
|
2. Скорость для фосфорной кислоты |
0,018 м/с |
|
3.Критерий Рейнольдса для фосфорной кислоты |
45,33 |
|
4. Критерий Прандтля для фосфорной кислоты |
41 |
|
5. Коэффициент теплоотдачи для фосфорной кислоты |
54,4 Вт( К) |
|
6. Коэффициент теплопередачи |
50 Вт( К) |
|
7. Поверхностная плотность теплового потока |
1450 Вт/ |
|
8. Расчетная площадь поверхности теплоотдачи |
20,76 |
|
9. Необходимое число аппаратов |
7 |
|
10. Запас |
6 |
Библиографический список
1. Идельчик И.Е. Справочник по гидросопротивлениям.‒ М: Гидравлика,1992 г.‒ 672 с.
2. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии: Учебное пособие.‒ Л.: Химия, 1987.‒576 с., ил.
3. http://www.teploobmenka.ru/
4. А.И. Родионов, В.Н. Крушин, Н.С Торочешников "Техника защиты окружающей среды". ‒ М.: Химия, 1989. ‒ 512 с.
Приложение
Эскиз кожухотрубчатого теплообменника, жесткой конструкции.
1 -корпус (обечайка); 2 - трубные решетки; 3 - трубы; 5 - крышки
2. ФАБРИКА НАТЯЖНЫХ ПОТОЛКОВ ВАШ ВЫБОР.html
3. Проблемы малых групп
4. Реферат- Биография и творчество Антуана де Сент-Экзюпери.html
5. Скинхедов называют нацистами фашистами но на самом деле мы расисты
6. РЕФЕРАТ дисертації на здобуття наукового ступеня доктора економічних наук
7. Забавное Евангелие Лео Таксиль Забавное Евангелие Оглавление
8. Тема 13 Повторність сукупність і рецидив злочинів Пратичне заняття Мета заняття- розглянути та за
9. На тему- Перераспределение полномочий и ответственности в системе менеджмента
10. ВИНИКНЕННЯ ОСВІТИ Й ВИХОВАННЯ В СВІТОВІЙ СУСПІЛЬНІЙ ЦИВІЛІЗАЦІЇ
11. степной местности ПЛАН РАБОТЫ- Введение Влияние климатических и дорожных условий на работоспособност
12. МЭИ ЭЛЕКТРОННЫЙ УЧЕБНОМЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС дисциплины по выбору студента вариативной про
13. Лекция Балка на упругом основании 2
14. Отчет по производственной практике Выполнил- ст
15. Организация воспитательной работы в условиях коррекционно ’ образовательного учреждени
16. Куча топиков по английскому языку -english
17. Одиссею Гомера первым поставил греческую трагедию и комедию в римской обработке; Тит Макций Плавт древн
18. Музыка продолжительность номера до 4 минут- Инструментальное исполнение индивидуальное коллективное
19. Уголовный процесс
20. оснащенный хотя бы одним вузом.html