Подякувати Студентському архіву довільною сумою
Admin
26.02.2023 12:38
Дякуємо, що користуєтесь нашим архівом!
Теплообменные аппараты (теплообменники).
Інформація про навчальний заклад
ВУЗ:
Національний університет Львівська політехніка
Інститут:
Не вказано
Факультет:
Не вказано
Кафедра:
Не вказано
Інформація про роботу
Рік:
2015
Тип роботи:
Розрахункова робота
Предмет:
Інші
Частина тексту файла (без зображень, графіків і формул):
Теплообменник труба в трубе для нагрева 7 т/ч 20% р-ра NaOH от 15 до 75 С конденсатом с начальной температурой 105 ºС, конечной 55 ºС
Введение
Теплообменные аппараты (теплообменники) применяются для осу щест вления теплообмена между двумя теплоносителями с целью нагрева или ох лаждения одного из них. В зависимости от этого теплообменные ап параты называют подогревателями или холодильниками.
По способу передачи тепла различают следующие типы теплообмен ных 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 про исходит при попеременном нагревании и охлаждении насадки теплооб менни ка;
смесительные, в которых теплообмен происходит при непосредс твенном соприкосновении теплоносителей.
В химической промышленности наибольшее распространение полу чили поверхностные теплообменники, отличающиеся разнообразием конст рукций, основную группу которых представляют трубчатые теплообмен ники, такие как: кожухотрубные, оросительные, погруженные и "труба в трубе".
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 соеди нены друг с другом последовательно; так же связаны между собой наруж ные трубы. Для возможности очистки внутренне трубы соединяются при помощи съемных калачей.
Благодаря небольшому поперечному сечению в этих теплообменни ках легко достигаются высокие скорости теплоносителей в как в трубах, так и в межтрубном пространстве. При значительных количествах теплоносите лей теплообменник составляют из нескольких параллельных секций, присо единяемых 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 на г ревания, так и для охлаждения.
Нагревание обычно производится или горячей водой или насыщен ным водяным паром, который запускается в межтрубное пространство и конденсируется на поверхности внутренней трубы.
Использование водяного пара в качестве греющего агента имеет сле дующие достоинства:
- 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 теплообменниках "труба в трубе" в качестве хла-доагента может использоваться речная или артезианская вода, а в слу чае, когда требуется получить температуру ниже 5-20°С применяют холо диль ные рассолы (водные растворы СаС12, NaCl, и др.).
1. Технологическая схема
EMBED KompasFRWFile
Рис. 1 Теплообменник «труба в трубе». Технологическая схема.
Керосин, 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 пар, который конденсируется на наружной поверхности внутренних труб и в виде пленки конденсата стекает вниз и сбрасывается в линию конденсата. Раствор подогретый за счет теплоты конденсации греющего пара самотеком поступает в приемную емкость.
2. Выбор конструкционного материала
Так как водный раствор NaОН является корро зионно-активным веществом, то в качестве конструкционного материала для основных деталей выбираем нержавеющую сталь Х18Н10Т ГОСТ 5632–72, которая является стойкой в сильно агрессивных средах до температуры 600 С.
3. Материальный и тепловой расчет
3.1. Температурный режим аппарата
Принимаем противоточную схему движения теплоносителей
GhbПар поступает в межтрубное пространство, а раствор двигается по внутренней трубе
tк
t2к
t2н
t
F
tм
tб
Рис. 2 Схема движения теплоносителей
3.2. Средняя разность температур
Δtм = t1н – t2к = 105 – 75 = 30 ºС
Δtб = t1к – t2н = 55 – 15 = 40 ºС
Так как отношение Δtб/Δtм = 40/30 = 1,3 < 2, то
Δtср = (Δtб + Δtм)/2= (40 + 30)/2 = 35 ºС
Средняя температура конденсата:
t1ср = (t1н + t1к)/2 = (105+55)/2 = 80 ºС
Средняя температура раствора:
t2ср = t1ср – tcр = 80 – 35 = 45 С.
3.3. Тепловая нагрузка аппарата:
Q = 1,05G2c2(t2н - t2к),
где с2= 3,61 кДж/кг∙К – теплоемкость раствора [1 c.248]
G2- массовый расход раствора.
1,05 – коэффициент, учитывающий потери в окружающую среду.
G2 = 7000/3600 = 1,94 кг/с,
Q = 1,051,94∙3,61(75 - 15) = 441,2 кВт.
3.4. Расход конденсата:
G1= Q/с1(t1н - t1к),
где с1 = 4,19 кДж/кг·К – теплоемкость воды при 80 ºС [1c.537].
G1 = 441,2/4,19(105-55) = 2,11 кг/с.
3.5. Выбор основных конструктивных размеров аппарата
Принимаем, что аппарат изготовленный из труб 484 (внутренняя труба) и 764 (наружная труба)[2c. 61].
EMBED KompasFRWFile
Рис. 3 Теплообменный элемент.
Оптимальные условия теплообмена возможны при турбулентном режиме движения (Re > 10000). Поэтому скорость раствора в трубах должна быть больше w’2:
w’2 = Re22 / (dвн2) = 100002,2910-3/(0,0401205) = 0,48 м/с
где 2 = 2,2910-3 Пас – вязкость раствора [1 c.516],
2 = 1205 кг/м3 – плотность раствора [1c.512]
d2 = 0,040 – внутренний диаметр трубы.
Число параллельно работающих труб 484:
n` = G2/0,785dвн2w`22 = 1,94/0,7850,04020,481205= 2,67
Для обеспечения устойчивого турбулентного режима движения воды принимаем n` = 2, тогда фактическая скорость раствора будет равна:
w2 = G2/0,785dвн2n`22 = 1,94/0,7850,040221205= 0,64 м/с.
Критерий Рейнольдса для раствора:
Re2 = w2d22/2 = 0,640,0401205/2,2910-3 = 13490,
режим движения – турбулентный
Коэффициент теплоотдачи от стенки к раствору
Критерий Нуссельта:
Nu2 = 0,023Re20,8Pr20,4(Pr2/Pr2ст)0,25
Критерий Прандтля
Pr2 = с/ = 3,612,29/0,677 = 12,2
= 0,677 Вт/мК – коэффициент теплопроводности [3c.55]
Примем в первом приближении (Pr2/Pr2ст)0,25 = 1, тогда
Nu2 = 0,023134900,812,20,4 = 126,0
2 = Nu22/dвн = 126,00,677/0,040 =2132 Вт/(м2K)
3.6. Коэффициент теплоотдачи от конденсата к стенке
Скорость воды в межтрубном пространстве
w1 = G1/[10,785(Dвн2 – dн2)n] =
= 2,11/9720,785(0,0682 – 0,0482)2 = 0,60 м/с,
где 1 = 972 кг/м3 – плотность воды при 80 С [1c. 537],
Dвн = 0,068 м – внутренний диаметр большой трубы,
dн = 0,048 м – наружный диаметр малой трубы.
Критерий Рейнольдса для воды:
Re1 = w1dэ1/1,
где 1 = 0,35510-3 – вязкость воды при 80 С [1c. 537],
dэ – эквивалентный диаметр межтрубного пространства.
dэ = Dвн–dн = 0,068 – 0,048 = 0,020 м
Re1 = 0,600,020972/0,35510-3 = 32636
Режим движения – турбулентный.
Критерий Нуссельта:
Nu1 = 0,023Re10,8Pr10,4(Pr1/Pr1ст)0,25
Критерий Прандтля для воды Pr1 = 2,21 [1c. 537]
Примем в первом приближении (Pr1/Pr1ст)0,25 = 1, тогда
Nu1 = 0,023326360,82,210,4 = 129,0
1 = Nu11/dэ = 129,00,675/0,020 =4352 Вт/(м2K)
где 1=0,675 Вт/(мK) – теплопроводность воды при 80 С [1c. 537]
3.9. Тепловое сопротивление стенки
EMBED Equation.3
где = 0,004 м – толщина стенки
cт = 17,5 Вт/(мК) – теплопроводность нерж. стали [1c. 529]
r1=r2=1/5800 мК/Вт – тепловое сопротивление загрязнений [1c. 531]
EMBED Equation.3 = (0,004/17,5) + (1/5800) + (1/5800) = 5,7310-4 мК/Вт
3.10 Коэффициент теплопередачи
EMBED Equation.3
К = 1/(1/2132+ 5,7310-4 + 1/4352) = 786 Вт/(м2К)
Температура стенок
Со стороны раствора
tст2 = t2+ tср/2= 45,0 + 78635,0/2132 = 57,9 С,–tttt
Prст2= 9,6 1ут =2132(12,2/9,6)0,25 =2263 Вт/(м2К).
Со стороны воды:
tст1 = t1 – Ktср/1 = 80,0 – 78635,0/4352 = 73,7 С,–tttt
1 = 4352(2,21/2,43)0,25 = 4250 Вт/(м2К).
3.12 Уточненный расчет коэффициента теплопередачи
K = 1/(1/2263 + 5,7310-4+1/4250) = 800 Вт/(м2К)
Проверяем температуру стенки
tст1 = t1 – Ktср/1 = 80,0 – 80035,0/4250 = 73,4 С –tttt
tст2 = t2 – Ktср/2 = 45,0+ 80035,0/2263 = 57,4 С
Полученные значения близки к ранее принятым и дальнейшего уточнения не требуется
3.13. Поверхность теплообмена
F = Q/( Ktср) =441,2103/(80035,0) =15,75 м2
3.14. Выбор стандартного аппарата
По ГОСТ 8930-78 [2c. 61] выбираем стандартные неразборные элементы длиной 6,0 м, для которых поверхность теплообмена равна 0,90 м2, тогда число элементов в одном ряду составит:
N = F/(nF1) =15,75/(20,90) = 8,75 принимаем N = 9
4. Гидравлический расчет
4.1. Коэффициент трения раствора трубах
Скорость раствора в трубах: w2 = 0,64 м/с
Относительная шероховатость:
e2 = /dвн = 0,0002/0,040 = 0,0050
где = 0,0002 м – шероховатость труб [2c. 14]
Коэффициент трения. Так как выполняется условие:
10/е2 = 10/0,005 =2000 < Re2 < 560/e2 = 560/0,005 = 112000
то коэффициент трения будет равен:
2 = 0,11(е2 + 68/Re2)0,25 = 0,11(0,005 + 68/13490)0,25 = 0,035
4.2. Сумма местных сопротивлений
= 1 + 2 + 43 = 0,5 + 1,0 + 80,154 = 2,73
где 1 = 0,5 – вход в трубу [2c.14]
2 = 1,0 – выход из трубы
3 = АВ = 1,40,11 = 0,154 – отвод круглого сечения
4.3. Гидравлическое сопротивление трубного пространства
EMBED Equation.3 = (0,0356·9/0,040 + 2,73)12050,642/2 =12334 Па
Подбор насоса
Требуемый напор насоса
Н = Р/(g) =12334/(12059,8) = 1,04 м
Объемный секундный расход
Q = G/ = 1,94/1205= 0,0016 м3/с
По этим двум величинам выбираем центробежный насос Х8/30, для которого производительность Q = 2,410-3 м3/с, напор Н = 17 м [2c. 38].
4.5. Коэффициент трения для воды в межтрубном пространстве
Скорость воды в межтрубном пространстве w1= 0,60 м/с
Относительная шероховатость:
e1= /dэ = 0,0002/0,020 = 0,0100.
Так как выполняется условие:
10/е1 = 10/0,010 = 1000 < Re1 < 560/e1 = 560/0,0100 = 56000,
то коэффициент трения будет равен:
1 = 0,11(е1 + 68/Re1)0,25 = 0,11(0,0100 + 68/32636)0,25 = 0,036
4.6. Сумма местных сопротивлений
=9(1 + 2) = 13,5
где 1 = 0,5 – вход в трубу [2c.14]
2 = 1,0 – выход из трубы
4.7. Гидравлическое сопротивление межтрубного пространства
EMBED Equation.3 = (0,0366·9/0,020 + 13,5)9720,602/2 =19368 Па
4.8. Подбор насоса
Требуемый напор насоса
Н = Р/(g) = 19368/(9729,8) = 2,0 м
Объемный секундный расход
Q = G / = 2,11/972 = 2,1710-3 м3/с
По этим двум величинам выбираем центробежный насос Х8/30, для которого производительность Q = 2,410-3 м3/с, напор Н = 17 м [2c. 38]
Конструктивный расчет
5.1. Соединение элементов
Соединение элементов между собой осуществляется с помощью калачей радиусом 100 мм изогнутых на 180.
Фланцы
Калачи и внутренне трубы снабжены плоскими приварными фланцами по ГОСТ 12820-80, конструкция и размеры которых приводятся ниже:
EMBED KompasFRWFile
Опоры
Теплообменник крепится на сварном каркасе изготовленных из уголка №5. Теплообменные элементы к опоре крепятся болтами с помощью хомутов
EMBED KompasFRWFile
Литература
Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курс про цессов и аппаратов.Л.:Химия,1987, 576 с.
Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию/ Под ред. Ю.И.Дытнерского. М.:Химия, 1983. 272 с.
3. Теплофизические свойства газов, растворителей и растворов солей. Спра-
вочник /Сост. Е.М.Шадрина и др. Иваново. 2004.
Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!
0%
Оголошення від адміністратора