Сущность процесса передачи энергии в форме тепла, виды теплообменных аппаратов. Подбор теплообменного аппарата на базе расчетных данных. Ход процесса охлаждения жидкости с заданным расходом, если исходными материалами являются ацетон и скважинная вода.
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; В теплообменнике одна из обменивающихся теплом сред движется внутри труб, а другая - в межтрубном пространстве. Определим расход исходного вещества : С учетом потерь теплоты в размере 5% , тепловая нагрузка составит : Расход воды составит : Объемные расходы исходного вещества и воды : 0,00546 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. для воды: Коэффициент теплопередачи: Поверхностная плотность теплового потока: Расчетная площадь поверхности теплообмена: Запас поверхности составляет при этом: Запас поверхности теплообмена данного аппарата удовлетворяет условию.
План
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
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 тн1 = 56 0С. Конечная температура ацетона, по условию задания, равной 36 0С. Вода подается в теплообменник с начальной температурой тн2 = 17 0С. Конечная температура равна тн2 = 27 0С.
- средняя температура воды: 0С
Данным условиям соответствуют следующие физико-химические показатели воды: С2 = 4231,9 Дж/(кг К) - теплоемкость этилацетата (стр. 562, рис. XI, [1]);
?1 = 762,5 кг/м3 - плотность этилацетата (стр. 512, т. IV, [1]);
?1 = 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 : 0,00546
0,00477
2. Наметим варианты теплообменных аппаратов
Для этого определим ориентировочное значение площади поверхности теплообмена, принимая (стр. 47, т. 2.1, [2]) :
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 по ГОСТУ 15120-79 скорость течения исходного вещества при должна быть более : 0,525
При этом число труб в аппарате обеспечивающих объемный расход исходного вещества при турбулентном режиме течения: 31,1=31 шт.
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: мм
Расстояние между перегородками: мм
Где
Определим скорость и критерий Рейнольдса для исходного вещества :
36847
Для воды:
Определим коэффициенты теплоотдачи: - для воды: Теплоотдача течении в прямых трубах и каналах ( ), критерий Нуссельта рассчитывается по формуле (см. стр. 152, (4.17), [1])
?l = 1 - поправочный коэффициент, учитывающий влияние на коэффициент теплоотдачи отношения длины трубы к ее диаметру.
Откуда
Рассчитаем критерий Прандтля:
Тогда по формуле: 62,78
Принимаем значение = 1.
Коэффициент теплоотдачи : 1773
- для ацетона: Рассчитаем критерий Прандтля: 3,633
Приняв .
Коэффициент теплоотдачи : 1299
Применительно к кожухотрубчатым теплообменникам с поперечными перегородками в формуле принимают коэффициент , учитывая, что теплоноситель в межтрубном лишь часть пути движется поперек труб и при угле атаки меньшем 900.
Примем тепловую проводимость загрязнений стенки со стороны воды равной (табл. 2.2, [2]), коэффициент теплопроводимости стали равной (табл. XXVIII, [1]), тепловую проводимость загрязнений стенки со стороны исходного вещества равной (табл. 2.2, [2]).
Тогда
Коэффициент теплоотдачи рассчитаем по формуле:
Поверхностная плотность теплового потока :
Расчетная площадь поверхности теплообмена составит : 14,5
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: T1 = / 25 30 40 50 55/ 0С
Данным температурам соответствуют следующие физико-химические показатели исходного вещества: с1.1 =2220,7 Дж/(кг К) - теплоемкость при тст =25 0C;
с1.5 =2342,21 Дж/(кг К) - теплоемкость при тст =55 0C;
?1.1 =0,169 Вт/(м К) ?1.1 = 785,3 кг/м3 ?1.2 =0,167 Вт/(м К) ?1.2 = 779,5 кг/м3 ?1.3 = 0,165 Вт/(м К) ?1.3 =768 кг/м3 ?1.4 =0,163 Вт/(м К) ?1.4 = 757 кг/м3 ?1.5 =0,162 Вт/(м К) ?1.5 = 751,5 кг/м3 ?1.1 = 0,3075 10-3 Па с ?1.2 =0,293 10-3 Па с ?1.3 = 0,268-3 Па с ?1.4 = 0,246 10-3 Па с ?1.5 = 0,476 10-3 Па с
Скорость исходного вещества равна:
Критерии Рейнольдса и Прандтля:
24209,73
26077,6
28002,85
14366,9
3,96
3,71
3,48
6,88
Значение Nu рассчитываем по формуле:
166,6
170
145,54
Коэффициент теплоотдачи рассчитаем по формуле:
1090
1100
1108
943,1
Плотность теплового потока
6597,4
-4433,7
-8487,8
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 тст = 240C;
с2.2 = 4252,9 Дж/(кг К) - теплоемкость воды при тст = 29,250C;
с2.3 = 4273,8 Дж/(кг К) - теплоемкость воды при тст = 39,70C;
с2.4 = 4315,7 Дж/(кг К) - теплоемкость воды при тст = 50,20C;
с2.5 = 4336,7 Дж/(кг К) - теплоемкость воды при тст = 55,40C;
?2.1 = 0,611 Вт/(м К) ?2.1 = 993,5 кг/м3 ?2.2 = 0,616 Вт/(м К) ?2.2 = 995кг/м3 ?2.3 = 0,637 Вт/(м К) ?2.3 = 992 кг/м3 ?2.4 = 0,645 Вт/(м К) ?2.4 = 987,5 кг/м3 ?2.5 = 0,651 Вт/(м К) ?2.5 = 985,3 кг/м3 ?2.1 = 0,9 10-3 Па с ?2.2 = 0,801 10-3 Па с ?2.3 = 0,656 10-3 Па с ?2.4 = 0,549 10-3 Па с ?2.5 = 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 и . Совмещенные кривые отображают нагрузочную характеристику теплообменного аппарата. Для установившегося процесса теплопередачи должно соблюдаться условие q1 = q2, 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]);
?2 = 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 np h, мм
* Наружный диаметр кожуха np - число рядов по вертикали для горизонтальных аппаратов - по ГОСТ 15118-79;
h - расстояние между перегородками
Приложение №2
Список 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
Вы можете ЗАГРУЗИТЬ и ПОВЫСИТЬ уникальность своей работы
