Теоретические основы теплообменного процесса. Тепловые, материальные расчеты. Выбор типа, конструкции теплообменного аппарата. Гидравлическое сопротивление трубного пространства. Преимущества теплообменников "труба в трубе". Тепловое сопротивление стенки.
Теплообменные аппараты (теплообменники) применяются для осуществления теплообмена между двумя теплоносителями с целью нагрева или охлаждения одного из них. 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; 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". 2.1 [2] минимальное значение этого коэффициента, характеризующее теплообмен между органической жидкостью (90%-ая уксусной кислоты) и органической жидкостью (10%-ой уксусной кислоты), составляет Кмин = 300 Вт/(м2·К), максимальное значение коэффициента теплопередачи составляет Кмакс = 800 Вт/(м2·К) 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 гидравлическийПосле 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.При выполнении курсовой работы были использованы и закреплены знания, полученные дисциплине “Процессы и аппараты химической технологии”. 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.
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), которые 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;
?тср - 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;
?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 [2] минимальное значение этого коэффициента, характеризующее теплообмен между органической жидкостью (90%-ая уксусной кислоты) и органической жидкостью (10%-ой уксусной кислоты), составляет Кмин = 300 Вт/(м2·К), максимальное значение коэффициента теплопередачи составляет Кмакс = 800 Вт/(м2·К)
, Средняя разность температур:
(2.8)
Температурная схема (см. рис. I приложение): 108,5 > 20
70 < 10
?тб = 38,5 ?тм = 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 - Dtcp = 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 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 ?"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 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: Re2 = 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
Полученные значения близки к ранее принятым и дальнейшего уточнения не требуется
4.7 Поверхность теплообмена
Fмин<F< Fmakc, 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.
5. Гидравлический расчет
5.1 Коэффициент трения раствора трубах
Скорость среды в трубах: w2 = 0,44 м/с
Относительная шероховатость: e2 = D/dвн = 0,0002/0,031 = 0,0064 (5.1) где D = 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 = 87500 (5.2) то коэффициент трения будет равен: l2 = 0,11(е2 68/Re2)0,25 = 0,11(0,0064 68/17665)0,25 = 0,035 (5.3)
5.2 Сумма местных сопротивлений ax = x1 x2 4x3 = 0,5 1,0 8?0,154 = 2,73 (5.4) где x1 = 0,5 - вход в трубу [2c.14], x2 = 1,0 - выход из трубы, x3 = АВ = 1,4?0,11 = 0,154 - отвод круглого сечения.
5.3 Гидравлическое сопротивление трубного пространства
= (0,035?6·11/0,031 2,73)1062?0,442/2 =7941 Па (5.5)
5.4 Подбор насоса
Требуемый напор насоса: Н = DP/(rg) =7941/(1062?9,8) = 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 = 2,4?10-3 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
Так как выполняется условие: 10/е1 = 10/0,018 = 555 < Re1 < 560/e1 = 560/0,018 = 31111, то коэффициент трения будет равен: l1 = 0,11(е1 68/Re1)0,25 = 0,11?(0,018 68/8445)0,25 = 0,044.
5.6 Сумма местных сопротивлений ax =11(x1 x2) = 16,5 (5.9) где x1 = 0,5 - вход в трубу [2c.14], x2 = 1,0 - выход из трубы.
5.7 Гидравлическое сопротивление межтрубного пространства
= (0,044?6·11/0,011 16,5)?1004?0,522/2 =8212 Па.
5.8 Подбор насоса
Требуемый напор насоса: Н = DP/(rg) = 8212/(1004?9,8) = 0,83 м.
Объемный секундный расход: Q = 1,1?10-3 м3/с.
По этим двум величинам выбираем центробежный насос Х8/18, для которого производительность Q = 2,4?10-3 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: 38х3,5 мм;
диаметр труб кожуха: 57х4 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 12820-80 при Р=1,6 МПА, конструкция и размеры которых приводятся ниже:
Рисунок 6.2 - Эскиз фланца
Таблица 6.2 Основные размеры фланца d D D2 D1 h n d1
39 135 100 80 14 4 18
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 одно- и 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).
Вывод
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.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.
Список литературы
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.
Размещено на .ur
Вы можете ЗАГРУЗИТЬ и ПОВЫСИТЬ уникальность своей работы
