Спиральный теплообменник.. Розрахункова робота з Інші. Робота № 400515

Перехід до торгівельного партнера Binance

Спиральный теплообменник.

Інформація про навчальний заклад

ВУЗ:

Національний університет Львівська політехніка

Інститут:

Не вказано

Факультет:

Не вказано

Кафедра:

Не вказано

Інформація про роботу

Рік:

2000

Тип роботи:

Розрахункова робота

Предмет:

Інші

Завантажити

Частина тексту файла (без зображень, графіків і формул):

Спиральный теплообменник для охлаждения 8 т/ч бензола от температуры кипения до 25 ºС водой с начальной температурой 15 и конечной 60 ºС. Введение 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. В ряде случаев целевое назначения имеют оба процесса – нагревание холодного теплоносителя и охлаждение горячего. Тогда теплообменные аппараты называют собственно теплообменниками. Часто в теплообменных аппаратах в процессе теплообмена происходит изменение агрегатного состояния одного из теплоносителей: конденсация горячего или испарение холодного теплоносителя. В этих случаях аппараты называют конденсаторами или кипятильниками. По способу передачи тепла различают следующие типы теплообменных аппаратов: поверхностные, в которых оба теплоносителя разделены стенкой,причем тепло передается через поверхность стенки путем конвекции втеплоносителях и теплопроводности стенки; регенеративные, в которых процесс передачи тепла от горячеготеплоносителя к холодному разделяется по времени на два периода, и происходит при попеременном нагревании и охлаждении насадки теплообменника. Существенным недостатком регенеративных теплообменников является изменение температуры поверхности насадки во времени, что в некоторыхслучаях не обеспечивает постоянства конечной температуры нагреваемогоили охлаждаемого теплоносителя; смесительные, в которых теплообмен происходит при непосредст-венном соприкосновении теплоносителей. Применение смесительных тепло-обменников ограничено только теми случаями, когда по технологическимусловиям допустимо разбавление нагреваемого или охлаждаемого веществаводой. Поэтому в химической промышленности наибольшее распространение получили поверхностные теплообменники, которые, в свою очередь, разделяются на трубчатые, пластинчатые, спиральные, с поверхностью, образованной стенками аппарата, с оребренной поверхностью теплообмена. К конструкции теплообменных аппаратов предъявляется ряд требований: они 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. Этим требованиям во многом отвечают спиральные теплообменники, поверхность теплообмена в котором образуется двумя металлическими листами свернутыми в спирали, образующие два спиральных прямоугольных канала, по которым двигаются теплоносители. Внутренне концы спиралей соединены разделительной перегородкой - керном. Для придания спиралям жесткости и фиксирования расстояния между ними служат металлические прокладки. Система каналов закрыта с торцов крышками. Преимущества спиральных теплообменников: компактность; возможность пропускания обоих теплоносителей с высокими скоростями, что обеспечивает большой коэффициент теплопередачи; малое гидравлическое сопротивление по сравнению с другими типами поверхностных теплообменников. Недостатками спиральных теплообменников являются: - сложность изготовления и ремонта; - пригодность для работы под избыточным давлением не более О,6 МПа. Спиральные теплообменники могут использоваться как для теплообмена между двумя жидкими теплоносителями, так и для теплообмена между конденсирующимся паром и жидкостью. В качестве греющего агента в теплообменниках часто используется насыщенный водяной пар имеющий целый ряд достоинств: - высокий коэффициент теплоотдачи; - большое количество тепла, выделяемое при конденсации пара; - равномерность обогрева, так как. конденсация пара происходит при постоянной температуре; - легкое регулирование обогрева. При охлаждении в кожухотрубных теплообменниках в качестве хладоагента может использоваться речная или артезианская вода, а в случае, когда требуется получить температуру ниже 5 °С применяют холодильные расолы (водные растворы CaCL2, NaCl, и др.). 1. Выбор конструкционного материала Так, как бензол является коррозионно-активным веществом, то в качестве конструкционного материала для основных деталей выбираем нержавеющую сталь Х18Н10Т ГОСТ 5632-72, стойкую в агрессивных средах до температур порядка 600 С. 2. Технологическая схема ПЕ РЕ Н Вода ТС Вода Бензол, с помощью центробежного насоса Н, подается в спиральный теплообменник ТС, где охлаждается за счет нагревания охлаждающей воды и затем самотеком поступает в приемную емкость ПЕ. Вода, выйдя из теплообменника, сбрасывается в канализацию или используется в качестве оборотной. 3. Технологический расчет 3.1. Средняя разность температур. Температура кипения бензола t1н = 80 ºС [1c.541]/ Принимаем противоточный режим движения теплоносителей, тогда большая разность температур: tб = t1н – t2к = 80 – 60 = 20 С; меньшая разность: tм= t1к– t2н= 25 – 15 = 10 С Отношение tб/tм = 20/10 = 2, следовательно, средняя движущая сила процесса: EMBED Equation.3 = (20 – 10) / ln(20/10) = 14,4 C. Средняя температура воды: t2ср = (t2к+t2н)/2 = [15+ 60)]/2 = 37,5 С. Средняя температура бензола t1ср = t1 + tcр = 37,5 + 14,4 = 51,9 С. 3.2 Тепловая нагрузка аппарата Q = G1c1(t1н – t1к), где с1 = 1,88 кДж/(кгK) – теплоемкость бензола при 51,9С [1c. 564], G1 – массовый расход бензола. G1 = 8000/3600 = 2,22 кг/с. Q = 2,221,88(80– 25) = 230 кВт. 3.3. Расход воды: G2 = Q/[c2((t2к – t2н) ] = 230/[4,19(60 – 15)] = 1,22 кг/с, где с2 = 4,19 кДж/кг – теплоемкость воды. 3.4. Размер каналов Задаемся скоростью движения бензола w1 = 1 м/с, тогда площадь поперечного сечения канала составит: S1 = G1/(1w1) = 2,22/(8421) = 0,0026 м2, где 1 = 842 кг/м3 – плотность бензола [1c. 512]. При ширине канала b1 = 12 мм высота ленты должна составлять: h = S1/b1 = 0,0026/0,012 = 0,22 м; принимаем по ГОСТ 12067-80 [2c. 65] h = 0,4 м; ширину второго канала принимаем b2 = b1 = 0,012 м; толщина листа  = 3,5 мм. 3.5. Коэффициент теплоотдачи от бензола к стенке Эквивалентный диаметр канала: d = 2bh/(b+h) = 20,0120,4/(0,012+0,4) = 0,0233 м. Скорость движения бензола: w1 = G1/(bh1) = 2,22/(0,0120,4842) = 0,55 м/с. Критерий Рейнольдса: Re1 = w1d 1/1 = 0,550,0233842/0,4310-3 = 25061, где 1 = 0,4310-3 Пас – вязкость бензола [1c. 516]. Критерий Нуссельта: Nu1 = 0,021Re10,8Pr10,43(Pr1/Prст1)0,25. Критерий Прандтля: Pr1 = сμ/λ = 1,88·0,43/0,138 = 5,86. где 1 = 0,138 Вт/(мK) – теплопроводность бензола [1c. 561]. Принимаем в первом приближении (Pr1/Prст1)0,25 = 1, тогда Nu1 = 0,021250610,85,860,43 = 148,4. 1 = Nu11/d = 148,40,138/0,0233 = 879 Вт/(м2K) 3.6. Коэффициент теплоотдачи от стенки к воде. Скорость движения воды: w2 = G2 /(bh2) = 1,22/(0,0120,4993) = 0,26 м/с, где 2 = 993 кг/м3 – плотность воды [1c. 537]. Критерий Рейнольдса: Re2 = w2d 2/2 = 0,260,0233993/0,6910-3 = 8582, где 1 = 0,6910-3 Пас – вязкость воды [1c. 537]. Критерий Нуссельта: Nu2 = 0,021Re20,8Pr20,43(Pr2/Prст2)0,25. Критерий Прандтля: Pr2 = 4,58 [1c.537] Примем в первом приближении (Pr1/Prст1)0,25 = 1, тогда Nu2 = 0,02185820,84,580,43 = 56,7. 2 = Nu22/d = 56,70,630/0,0233 = 1532 Вт/(м2K). где 2 = 0,630 Вт/(мK) – теплопроводность воды [1c. 537]. 3.7. Тепловое сопротивление стенки: EMBED Equation.3 , где cт =17,5 Вт/(мК) – теплопроводность нержавеющей стали [1c. 529] r1=r2=1/5800 мК/Вт – тепловое сопротивление загрязнений [1c. 531] EMBED Equation.3 = (0,0035/17,5) + (1/5800) + (1/5800) = 5,410-4 мК/Вт. 3.8. Коэффициент теплопередачи: EMBED Equation.3 = 1/(1/879+ 5,410-4 + 1/1532) = 429 Вт/(м2К). Рассчитываем температуру стенки: tст1 = tcр1 – Ktср/1 = 51,9 – 42914,4/879 = 44,9 С –tttt tст2 = tcр2 – Ktср/2 = 37,5 + 42914,4/1532 = 41,5 С –tttt Уточняем коэффициенты теплоотдачи при температуре стенки: Pr1ст = 6,21 1ут = 879(5,86/6,21)0,25 = 866 Вт/(м2К). Pr2ст = 4,19 2ут = 1532(4,58/4,19)0,25 = 1566 Вт/(м2К). Уточненный коэффициент теплопередачи: K = 1/(1/866 + 5,410-4+1/1566) = 428 Вт/(м2К) Проверяем температуру стенки tст1 = tcр1 – Ktср/1 = 51,9 – 42814,4/866 = 44,8 С –tttt tст2 = tcр2 – Ktср/2 = 37,5 + 42814,4/1566 = 41,4 С –tttt Полученные значения близки к ранее принятым. 3.9. Поверхность теплообмена: F = Q/( Ktср) = 230103/(42814,4) = 37,3 м2. Так как теплообменник с ближайшей большей поверхностью F = 40 м2 изготовляется с шириной листа 0,7 или 1,0 м, то принимаем к установке два последовательно соединенных теплообменника с поверхностью теплообмена 20,0 м2 каждый Конструктивный расчет 4.1 Длина спирали: l = F/(2h) = 20,0/(20,4) = 25,0 м 4.2. Расчет штуцеров. Принимаем скорость жидкости в штуцере wшт = 1 м/с. Штуцер для входа и выхода бутанола: EMBED Equation.3 = [2,22/(0,7851842)]0,5 = 0,058 м, принимаем d1 = 65 мм. Штуцер для входа и выхода воды: EMBED Equation.3 = [1,22/(0,7851993)]0,5 = 0,039 м, принимаем d2 = 40 мм. Все штуцера снабжаются плоскими приварными фланцами по ГОСТ 12820-80, конструкция и размеры которых приводятся ниже: EMBED KompasFRWFile 4.3 Число витков спирали. Шаг спиралей t1 = t2 = b +  = 0,012 + 0,035 = 0,0155 м. Принимаем радиус полувитка с учетом расположения штуцера r = 0,2 м. Число полувитков первой спирали: EMBED Equation.3 = = (0,5 – 0,2/0,0155) + [(0,2/0,0155)2+225,0/(0,0155)]0,5 = 22,1. Число полувитков второй спирали: EMBED Equation.3 = =(0,0155–0,50,0155–0,2)/0,0155+{[(0,2+0,50,0155– 0,0155)/0,0155]2+225,0/(0,0155)}0,5 = 22,1. 4.4. Диаметр аппарата: D = 2[r1 + (n2 + 1)t2 – t1] + 2 = 2[0,2 + (22,1 + 1)0,0155 – 0,0155]+0,0035 = 1,09 м, принимаем D = 1100 мм. 4.5. Выбор опор аппарата. Масса теплообменника: m = m1+mв+m2, где m1 – масса спиралей, mв – масса воды заполняющей аппарат при гидроиспытании, m2 - масса вспомогательных элементов (фланцев, штуцеров). m1 = 2hLст = 20,425,00,00357900 = 553 кг, где ст = 7900 кг/м3 – плотность стали. mв = (0,785D2h – 2hL)в = = (0,7851,120,4 – 20,425,00,0035)1000 = 310 кг. m2 принимаем 5% от основного веса аппарата. Тогда mp = 1,05(m1+mв) = 1,05(553+310) = 906 кг = 9 кН. Принимаем для аппарата две опоры в виде лап. Нагрузка на одну опору: G = m/2 = 9/2 = 4,5 кН Выбираем опору с допускаемой нагрузкой 6,3 кН, конструкция которой приводятся на рисунке: EMBED KompasFRWFile 4.6. Уплотнение каналов. Каждый канал с одной стороны заваривают, а с другой уплотняют плоской прокладкой. Такой способ предотвращает смешение теплоносителей при в случае неплотности в прокладки. Кроме того, этот тип уплотнения позволяет легко очистить каналы при их загрязнении. EMBED KompasFRWFile Будова теплообмінника Гидравлический расчет Задачей гидравлического расчета является определение гидравлического сопротивления аппарата и выбор насоса для подачи жидкого теплоносителя. 5.1. Гидравлическое сопротивление аппарата для бутанола: EMBED Equation.3 . Скорость бутанола в штуцере: w1шт = G1/(0,785dшт21) = 2,22/(0,7850,0652842) = 0,79 м/с. Коэффициент трения: 1 = 856/Re0,25 = 0,856/250610,25 = 0,068. Р1 = 0,06825,00,552842/(20,0233) + 1,50,792842 = 10080 Па. 5.2. Требуемый напор насоса: H1 = P1 / (1g) + h где h – геометрическая высота подъема жидкости и потери напора в подводящем трубопроводе. Принимаем h = 3 м. H1 = 10080/(8429,8) + 3 = 4,2 м. Объемный секундный расход раствора: Q1 = G1 / 1 = 2,22/842 = 0,0026 м3/с. По этим двум величинам выбираем центробежный насос Х20/18, для которого производительность Q= 0,0055 м3/с, напор Н = 10,5 м [3c. 38] 5.3. Гидравлическое сопротивление для воды. Скорость раствора в штуцере: w2шт = 1,22/(0,7850,0402993) = 0,97 м/с. Коэффициент трения 2 = 0,856/Re0,25 = 0,856/85820,25 = 0,089 P2 = 0,08925,00,262993/(20,0233) + 1,50,972993 = 4606 Па 5.4. Требуемый напор насоса: Н2 = 4606/(9939,8) + 3= 3,5 м. Объемный секундный расход воды: Q2 = G2 / 2 = 1,22/993 = 0,00123 м3/с. По этим двум величинам выбираем центробежный насос Х8/30, для которого производительность Q = 0,0024 м3/с, напор Н = 17 м [3c. 38]. 6 Расчет тепловой изоляции Принимаем температуру наружной поверхности стенки tст.в = 40 С, температуру окружающего воздуха tв = 18 С, тогда толщина стекловолокнистой изоляции: EMBED Equation.3 , где из = 0,09 Вт/мК – коэффициент теплопроводности теплоизоляционного материала, в – коэффициент теплоотдачи от наружной стенки корпуса в окружающую среду в = 8,4+0,06tв = 8,4+0,0622 = 9,72 Вт/м2К, где tв = tст.в – tв = 40 – 18 = 22 С. из = 0,09(80-40)/[9,72(40 – 18) = 0,017 м. Принимаем толщину тепловой изоляции 20 мм. Литература: Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов.Л.:Химия,1987, 576 с. Спиральные теплообменники ГОСТ 12067-80. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию/ Под ред. Ю.И.Дытнерского. М.:Химия, 1983. 272 с.

Розрахункова робота Інші

01.01.1970 03:01-

Коментарі

Ви не можете залишити коментар. Для цього, будь ласка, або зареєструйтесь.

Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!

Маєш корисні навчальні матеріали, які припадають пилом на твоєму комп'ютері? Розрахункові, лабораторні, практичні чи контрольні роботи — завантажуй їх прямо зараз і одразу отримуй бали на свій рахунок! Заархівуй всі файли в один .zip (до 100 МБ) або завантажуй кожен файл окремо. Внесок у спільноту – це легкий спосіб допомогти іншим та отримати додаткові можливості на сайті. Твої старі роботи можуть приносити тобі нові нагороди!

поділитись