Курсовая Расчет и подбор нормализованного теплообменного аппарата
Работа добавлена на сайт bukvasha.net: 2015-10-25Поможем написать учебную работу
Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
от 25%
Подписываем
договор
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
(ВолгГТУ)
Кафедра ПАХП
Курсовая работа
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 0С. Конечная температура ацетона, по условию задания, равной 36 0С. Вода подается в теплообменник с начальной температурой t
н2
= 17 0С. Конечная температура равна t
н2
= 27 0С.
- 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
=
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/ 0С
Данным температурам соответствуют следующие физико-химические показатели исходного вещества:
с1.1 =2220,7 Дж/(кг К) – теплоемкость при t
ст
=25
с1.2 = 2258,41 Дж/(кг К) – теплоемкость при t
ст
=30
с1.3 = 2283,55 Дж/(кг К) – теплоемкость при t
ст
=40
с1.4 =2308,69 Дж/(кг К) – теплоемкость при t
ст
= 50
с1.5 =2342,21 Дж/(кг К) – теплоемкость при t
ст
=55
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
=
с2.2 = 4252,9 Дж/(кг К) – теплоемкость воды при t
ст
=
с2.3 = 4273,8 Дж/(кг К) – теплоемкость воды при t
ст
=
с2.4 = 4315,7 Дж/(кг К) – теплоемкость воды при t
ст
=
с2.5 = 4336,7 Дж/(кг К) – теплоемкость воды при t
ст
=
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
1
=
q
2, поэтому точка пересечения кривых определяет действительную плотность теплового потока и действительную температуру на поверхности стенки со стороны горячего теплоносителя. Зная эту температуру можно с помощью критериальных уравнений вычислить значения коэффициентов теплоотдачи и рассчитать величину коэффициента теплопередачи.
| |
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
и Pr:
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
| 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 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.
Размещено на http://www.allbest.ru
