Курсовая работа
«Расчет теплообменного аппарата»
Содержание
Введение
Цели и задачи работы
Расчёт нормализованного теплообменного аппарата:
Предварительный расчёт
Поверочный расчёт
Выводы
Список использованной литературы
Введение
Аппараты теплообменные кожухотрубчатые с неподвижными трубными решётками и кожухотрубчатые с температурным компенсатором на кожухе применяются в тех случаях, когда нет необходимости в механической очистке межтрубного пространства (очистка от осадка возможна только для трубного пространства). Поэтому в трубное пространство подают ту жидкость (воду или водные растворы), которая при нагревании или выпаривании может выделять нерастворимый осадок на стенках труб, а в межтрубное пространство подают чистую жидкость или конденсирующийся пар.
В кожухотрубчатом теплообменнике одна из обменивающихся теплом сред движется внутри труб (в трубном пространстве), а другая – в межтрубном пространстве.
Среды обычно направляются противотоком друг к 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 её плотности при нагревании или охлаждении.
В данной работе используется аппарат – кожухотрубчатый теплообменник, в межтрубном пространстве которого конденсируются пары органической жидкости, а в трубном пространстве циркулирует жидкий теплоноситель (вода).
Цели и задачи работы:
Рассчитать необходимую поверхность кожухотрубчатого теплообменника, в межтрубном пространстве которого при атмосферном давлении конденсируются пары органической жидкости в количестве G кг/час. Тепло конденсата отводится водой, имеющей начальную температуру tн.
Подобрать нормализованный теплообменный аппарат.
Дано:
Аппарат – кожухотрубчатый теплообменник;
Органическая жидкость – сероуглерод;
G = 15000 кг/ч;
P = 1,03·10
Па;
tн = 17 °С.
Расчёт нормализованного теплообменного аппарата
Примем конечную температуру охлаждающей воды, равной 40 °С.
Выпишем
основные
физико-химические
параметры
теплоносителей
при давлении
P = 1,013·10
Па:
tконд
= 46,3
С
- температура
конденсации
сероуглерода;
rконд
= 349,5·10
Дж/кг - удельная
теплота конденсации
сероуглерода;
ρконд.
СУ=1290 кг/м
- плотность
конденсированного
СS2 при 46,3 °С;
Своды=4,185·103 Дж/(кг·К) – теплоёмкость воды;
Cконд=984,65 Дж/(кг·К) – теплоёмкость конденсата сероуглерода;
μводы =0,818·10-3 Па·с;
ρводы =995 кг/м3;
Тогда температурная схема:
46,3
46,3
17 40
tб=29,3
tм=6,3
Δtcp
°С; - средне-логарифмическая
разность температур.
Предварительный расчёт:
1). Тепловые потери направлены на добавочное охлаждение конденсирующегося сероуглерода, поэтому нет необходимости в теплоизоляции аппарата. Примем потери тепла в окружающую среду, равными 4% от общей тепловой нагрузки на аппарат Q:
Qпот.=0,04·Q;
Тогда тепловая нагрузка аппарата (количество тепла, которое определяет поверхность теплообмена, и которое необходимо отводить при помощи воды):
Q=G·rконд.-
Qпот=;
2). Расход охлаждающей воды определим из уравнения теплового баланса.
,
где:
G=
кг/с;
CВ=4,185·103 Дж/(кг·К) – теплоёмкость воды;
Тн=17+273=290 К; Тк=40+273=313 К.
кг/с;
3). Поскольку
расчёт теплообменного
аппарата –
предварительный,
то коэффициент
теплопередачи
можно принять,
например, равным
500 (из допустимого
интервала
300800,
при теплопередаче
от конденсирующегося
пара орг. жидкостей
к воде, при
вынужденном
движении), тогда
ориентировочное
значение поверхности
теплообмена
будет равно:
м2;
Принимая
число Рейнольдса
равным 15000 (что
соответствует
развитому
турбулентному
режиму течения),
определим
отношение числа
труб к числу
ходов n/z
для конденсатора
из труб 252
мм
.
4). Поверочный расчёт теплообменного аппарата
По справочной таблице (согласно ГОСТ 15119-79 и ГОСТ 15121-79) выбираем кожухотрубчатый испаритель, с поверхностью теплообмена и отношением n/z, близкими к рассчитанным предварительно.
Таким теплообменным аппаратом будет являться конденсатор с площадью теплообмена, равной 190 м2, и отношением n/z=404/4=101. Длина труб составляет 6 м, число ходов – 4, число труб – 404 шт, диаметр кожуха D=0,8 м.
Найдём действительное число Рейнольдса:
Рассчитаем точное значение коэффициента теплопередачи. Для этого необходимо знать коэффициенты теплоотдачи со стороны пара сероуглерода, и со стороны охлаждающей воды, а также значения термических сопротивлений стенки трубы и загрязнений её поверхности. Рассчитаем указанные величины:
;
Коэффициент теплоотдачи со стороны воды:
,
где
можно принять
,
поскольку
нагревается
вода в трубах;
Pr=
- критерий Прандтля;
d=2,1·10-2 м;
Тогда:
.
Для расчета коэффициента теплоотдачи пара, конденсирующегося на пучке горизонтальных труб в конденсаторе, воспользуемся следующей расчетной формулой:
,
где
,
при n>100;
λ=0,1628 Вт/(м·К) – теплопроводность конденсата сероуглерода;
ρ=1290
кг/м
- плотность
конденсата
СS2;
n=404 – число труб:
l=6 м – длина труб;
μ=0,28·10-3 Па·с – вязкость конденсата;
G=4,167 кг/с – массовый расход конденсирующегося пара;
Тогда:
Вт/(м2·К).
Сумма термических сопротивлений стенки и загрязнений равна:
м2·К/Вт,
где
Вт/(м2·К)
- тепловая
проводимость
загрязнений
стенки трубы
для воды среднего
качества.
Вт/(м2·К) -
тепловая проводимость
загрязнений
стенки трубы
для паров
органических
жидкостей.
Тогда коэффициент теплопередачи будет равен:
.
Расчетная поверхность теплообмена составит:
м2.
В выбранном
теплообменнике
запас поверхности
составляет:
Такой запас достаточен.
Выводы:
Для данного
процесса
(конденсации)
подошёл кожухотрубчатый
конденсатор
с диаметром
кожуха D
= 800 мм, диаметром
труб d =
25x2 мм,
Числом ходов
z = 4, общим
числом труб
n = 404 шт.,
поверхностью
теплообмена
F = 190
при длине труб
Н = 6,0 м. Запас
поверхности
теплообмена
достаточен
и составляет
.
Расход охлаждающей
воды
= 14,52 кг/с. Масса
конденсатора
- не более 5360 кг.
Список использованной литературы:
1). Касаткин А.Г. «Основные процессы и аппараты химической технологии». М. Химия. 1971г.
2). Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. «Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии». Л. Химия. 1981г.
3). Борисов Г.С., Брыков В.П., Дытнерский Ю.И. «Основные процессы и аппараты химической технологии: пособие по проектированию». М. Химия. 1991г.