Расчет теплообменного аппарата

Размещено на http://www.allbest.ru/

2

Содержание

Введение

1. Теоретическая часть. Физическое моделирование процесса

1.1 Теплообменные аппараты. Рекуперативные теплообменные аппараты

1.2 Физико-химические свойства теплоносителей

2. Математическое моделирование процесса

2.1 Основные формулы для расчета конденсатора

3. Расчетная часть

3.1 Определение ориентировочного значения коэффициента теплопередачи и подбор теплообменных аппаратов

3.2 Выполнение расчета в программе

3.3 Анализ полученных данных

Эскиз выбранного конденсатора

Список использованной литературы

Введение

теплообменный конденсатор рекуперативный

Теплопередача - это наука о процессах распространения теплоты. Различают три различных способа переноса теплоты: теплопроводность, конвекцию и тепловое излучение. В реальных установках теплота передаётся комбинированным путём, однако вклад этих трёх составляющих в общий перенос теплоты неодинаков и определяется многими условиями: природой теплоносителя, агрегатным состоянием, температурным и гидродинамическим условиям и т.д.

В химической технологии теплообменные аппараты довольно широко распространены, применяются в различных производствах легкой и тяжелой промышленности. Для обеспечения того или иного технологического процесса применяются различные типы теплообменных аппаратов. Основную группу теплообменных аппаратов, применяемых в промышленности, составляют поверхностные теплообменники, в которых теплота от горячего теплоносителя передается холодному теплоносителю через разделяющую их стенку. Другую группу составляют теплообменники смешения, в которых теплота передается при непосредственном соприкосновении горячего и холодного теплоносителей.

Целью данного курсового проекта является следующее:

- рассмотреть рекуперативные теплообменные аппараты, их конструкцию, принцип работы;

- подробно изучить процесс конденсации этанола, описать его на физическом и математическом уровне;

- выполнить расчет конденсатора по заданным параметрам;

- подобрать 5 теплообменных аппаратов и выбрать оптимальный нормализованный теплообменный аппарат;

- произвести проверочный расчет;

- в программе PascalABC выполнить расчет конденсатора.

1. Теоретическая часть. Физическое моделирование процесса

Основным законом теплоотдачи является закон Ньютона, согласно которому количество теплоты dQконв, переданное конвекцией от поверхности к окружающей среде (или наоборот), пропорционально поверхности теплообмена dF, разности температур поверхности tст и окружающей среды tf и времени d проведения процесса:

(1)

Коэффициент пропорциональности []=[] - называется коэффициентом теплоотдачи и показывает, какое количество теплоты передается от теплообменной поверхности 1 м2 в окружающую среду или наоборот в течении 1 с при разности температур теплообменной поверхности и окружающей среды 1 К.

Коэффициент теплоотдачи не является постоянной величиной для рассматриваемой среды и зависит в первую очередь от гидродинамических условий течения жидкости вдоль теплопередающей поверхности (режим движения жидкости); от физических свойств жидкости: плотности, вязкости, удельной теплоемкости и других параметров теплоносителя; затем следуют геометрические характеристики стенки, например длина и диаметр трубы.

Рассмотрим теперь теплообмен при конденсации паров. Основным способом осуществления перехода из паровой фазы в жидкую является конденсация паров на охлаждаемых поверхностях. При этом характер конденсации зависит от угла смачиваемости материала поверхности жидкостью: если образующийся конденсат смачивает поверхность, то он растекается по ней сплошной пленкой (пленочная конденсация). несмачивающий поверхность образует на ней отдельные капли (капельная конденсация). В дальнейшем будем рассматривать пленочную конденсацию. При ламинарном течении пленки конденсата перемешивания нет, то есть конвекция отсутствует, и теплота поперек пленки передается теплопроводностью.

Для определения коэффициента теплоотдачи используется формула Нуссельта для случая конденсации неподвижного пара:

(2)

где С - константа, зависящая от расположения труб;

l - характерный линейный размер;

r - теплота парообразования, Дж/кг;

сж , лж , µж - соответственно плотность, кг/м3 ; теплопроводность, Вт/м•К; динамическая вязкость, Па•с;

tн , tс - температуры насыщения и стенки, °С.

Формула Нуссельта дает погрешность в несколько процентов, так как не учитывает зависимость свойств жидкости от температуры и возрастание коэффициента теплоотдачи из-за волнового течения пленки, вызвано трением на границе раздела фаз.

Эксперименты показали, что интенсивность теплоотдачи на вертикальных и горизонтальных трубах была одинакова, что говорит о преобладающем влиянии динамического воздействия пара по сравнению с силами тяжести. Ранее уже шла речь о формуле Нуссельта для теплоотдачи при конденсации неподвижного пара на горизонтальной трубе. На практике приходится иметь дело с конденсацией движущегося пара. При конденсации пара на горизонтальном пучке труб теплоотдача на втором и последующих рядах снижается из-за уменьшения скорости пара, вызванной частичной его конденсацией на предыдущих рядах труб и увеличением толщины пленки за счет стекания конденсата с верхних трубок [3].

1.1 Теплообменные аппараты. Рекуперативные теплообменные аппараты.

Теплообменный аппарат (теплообменник) -- это устройство, в котором осуществляется теплообмен между двумя или несколькими средами. Устройства, в которых между средами происходит массообмен, называют массообменными аппаратами. Аппараты, в которых одновременно протекают тепло- и массообмен, называют тепломассообменными. Движущиеся среды, обменивающиеся теплотой или применяемые для передачи теплоты от более нагретых тел и веществ к менее нагретым, называют теплоносителями.

Наибольшее распространение в тепломассообменных и теплотехнологических установках получили следующие процессы: нагревание, охлаждение, конденсация, выпаривание, сушка, дистилляция, плавление, кристаллизация, затвердевание. По потенциалу теплоносителя теплотехническое оборудование можно разделить на низкотемпературное, среднетемпературное и высокотемпературное. К высокотемпературным установкам относятся промышленные печи, им соответствуют рабочие температуры в пределах 400...2000 °С. Низко- и среднетемпературное оборудование представляет собой теплообменные аппараты, установки для тепловлажностной обработки и сушки материалов и изделий, установки утилизации тепла. Рабочий диапазон среднетемпературных процессов и установок находится, как правило, в пределах 150...700 °С. Процессы с более низкими температурами, до -150 °С, называют криогенными.

Теплообменными аппаратами называются устройства, предназначенные для обмена теплотой между греющей и обогреваемой рабочими средами. Последние принято называть теплоносителями. Теплообменные аппараты различают по назначению, принципу действия, фазовому состоянию теплоносителей, конструктивным и другим знакам.

По назначению теплообменные аппараты делятся на подогреватели, испарители, конденсаторы, холодильники.

По принципу действия теплообменные аппараты могут быть разделены на рекуперативные, регенеративные и смесительные.

Рекуперативными называются такие аппараты, в которых тепло от горячего теплоносителя к холодному передается через разделяющую их стенку. Примером таких аппаратов являются паровые котлы, подогреватели, конденсаторы.

Регенеративными называются такие аппараты, в которых одна и та же поверхность нагрева омывается то горячим, то холодным теплоносителем. При протекании горячей жидкости тепло воспринимается стенками аппарата и в них аккумулируется, при протекании холодной жидкости это аккумулированное тепло ею воспринимается. Примером таких аппаратов являются регенераторы мартеновских и стеклоплавильных печей, воздухоподогреватели доменных печей.

В рекуперативных и регенеративных аппаратах процесс передачи тепла неизбежно связан с поверхностью твердого тела. Поэтому такие аппараты называются также поверхностными.

В смесительных аппаратах процесс теплопередачи происходит путем непосредственного соприкосновения и смешения горячего и холодного теплоносителей. В этом случае теплопередача протекает одновременно с материальным обменом. Примером таких теплообменников являются башенные охладители (градирни), скрубберы и др.

Если участвующие в тепломассообмене горячий и холодный теплоносители перемещаются вдоль поверхности нагрева в одном и том же направлении, тепломассообменный аппарат называют прямоточным, при встречном движении теплоносителей и сред -- противоточным, а при перекрестном движении -- перекрестноточным. Перечисленные схемы движения теплоносителей и сред в аппаратах называют простыми. В том случае, когда направление движения хотя бы одного из потоков по отношению к другому меняется, говорят о сложной схеме движения теплоносителей и сред.

Рекуперативные теплообменные аппараты -- это установки, работающие в периодическом или в стационарном тепловом режиме. Аппараты периодического действия обычно представляют собой сосуды большой вместимости, которые через определенные промежутки времени заполняют обрабатываемым материалом или одним из теплоносителей, нагревают или охлаждают его, а затем удаляют. В стационарном режиме работают, как правило, аппараты непрерывного действия. Конструкции современных рекуперативных теплообменных аппаратов весьма разнообразны и предназначены для работы с теплоносителями типов жидкость-жидкость, пар-жидкость, газ-жидкость.

Существенным для теплообменных аппаратов рекуперативного типа является наличие стенки из теплопроводного материала, разделяющей потоки теплоносителей. В зависимости от конструктивного исполнения поверхности теплообмена различают следующие виды рекуператоров:

- теплообменные аппараты, изготавливаемые из труб различной формы и диаметров (кожухотрубные, «труба в трубе», змеевиковые погружные, оро-сительные, витые, воздушного охлаждения с оребренными трубами);

- теплообменники, поверхность теплообмена которых изготовлена из листо-вого материала (пластинчатые, спиральные и т.д.).

Значительно чаще используются теплообменные аппараты непрерывного действия, среди которых наибольшее распространение получили кожухотрубчатые теплообменники (рис. 1). Кожухотрубные теплообменники представляют собой аппараты, выполненные из пучков труб, скрепленных при помощи трубных решеток и ограниченных кожухами и крышками. Трубное и межтрубное пространства в аппарате разобщены, а каждое из них разделено перегородками на несколько ходов.

В кожухотрубчатых теплообменниках обычно применяют трубы внутренним диаметром не менее 12 мм и не более 38 мм, так как при увеличении диаметра труб значительно снижается компактность теплообменника и возрастает его металлоемкость.

Длина трубного пучка колеблется от 0,9 до 5...6 м. Толщина стенки труб -- от 0,5 до 2,5 мм. Трубные решетки служат для закрепления в них труб при помощи развальцовки, запайки или сальниковых соединений. Кожух аппарата представляет собой цилиндр, сваренный из одного или нескольких стальных листов. Он снабжен фланцами, к которым болтами крепятся крышки. Толщина стенки кожуха определяется максимальным давлением рабочей среды и диаметром аппарата, но не делается тоньше 4 мм. Из-за различия температур греющей и нагреваемой сред кожух и трубы работающего аппарата также имеют различные температуры.

Рис. 1. Кожухотрубчатые рекуперативные теплообменные аппараты: а, б -- с жестким креплением труб в трубных решетках; в -- с линзовыми компенсаторам корпусе; г, д -- с U- и W-образными трубками; е -- с нижней плавающей распределительной камерой.

Для компенсации напряжений, возникающих в результате различия температурных расширений труб и кожуха, применяют линзовые компенсаторы, U- и W-образные трубы, теплообменники с плавающими камерами (рис. 1).

С целью интенсификации теплообмена увеличивают скорость теплоносителей с низким коэффициентом теплоотдачи, для чего теплообменники по теплоносителю, проходящему в трубах, делают двух-, четырех- и многоходовыми, а в межтрубном пространстве устанавливают сегментные или концентрические поперечные перегородки (рис. 1).

Рис. 2. Змеевиковые и секционные рекуперативные теплообменные аппараты: а -- с витой трубчатой поверхностью нагрева (змеевиковый); б -- секционный; в -- «труба в трубе»

Если перепады давления между греющей и нагреваемой средами в аппарате достигают 10 МПа и более, применяют змеевиковые теплообменники с витыми трубами (рис. 2, а), концы которых вваривают в распределительные коллекторы или в меньшие по размерам, чем в кожухотрубных аппаратах, трубные решетки. Эти аппараты более компактны, а также позволяют обеспечить более высокие скорости и коэффициенты теплоотдачи от теплоносителя, движущегося в трубах, в случае малых его расходов.

Секционные теплообменники (рис. 2, б), как и кожухотрубчатые, применяют в самых различных областях. Они характеризуются меньшим, чем в кожухотрубчатых аппаратах, различием скоростей в межтрубном пространстве и в трубах при равных расходах теплоносителей. Из них удобно подбирать необходимую площадь поверхности нагрева и изменять ее в случае необходимости. Однако у секционных теплообменников велика доля дорогостоящих элементов -- трубных решеток, фланцев, переходных камер, калачей, компенсаторов и т. п.; выше расход металла на единицу поверхности нагрева, больше длина пути теплоносителей, а следовательно, больше расход электроэнергии на их прокачку. В случае малых тепловых мощностей секции выполняют по типу теплообменников «труба в трубе», у которых в наружную трубу вставлена единственная внутренняя труба меньшего диаметра (рис. 2, в).

Разборные многопоточные теплообменники «труба в трубе» нашли применение в технологических установках заводов нефтяной, химической, газовой и других отраслей промышленности при температурах от - 40 до +450 °С и давлениях до 2,5...9,0 МПа. Для улучшения теплообмена трубы могут иметь продольные ребра или поперечную винтовую накатку.

Спиральные теплообменники--аппараты, в которых каналы для теплоносителей образованы двумя свернутыми в спирали на специальном станке листами (рис. 3). Расстояние между ними фиксируется приваренными бобышками или штифтами. В соответствии с ГОСТ 12067--80 навивку спиральных теплообменников производят из рулонной стали шириной от 0,2 до 1,5 м с поверхностями нагрева от 3,2 до 100 м2 при расстоянии между листами от 8 до 12 мм и толщине стенок 2 мм для давления до 0,3 МПа и 3 мм -- до 0,6 МПа. Зарубежные фирмы изготовляют специальные теплообменники из рулонного материала (углеродистых и легированных сталей, никеля, титана, алюминия, их сплавов и некоторых других) шириной от 0,1 до 1,8 м, толщиной от 2 до 8 мм при расстоянии между листами от 5 до 25 мм. Поверхности нагрева составляют от 0,5 до 160 м2 [1].

Рис. 3. Спиральный теплообменник: а -- принципиальная схема спирального теплообменника; б -- способы соединения спиралей с торцевыми крышками.

Спиральные теплообменники устанавливают по штуцерам горизонтально и вертикально. Их часто монтируют блоками по два, четыре, восемь аппаратов и применяют для нагревания и охлаждения жидкостей и растворов. Вертикальные аппараты используют также для конденсации чистых паров и паров из парогазовых смесей. В последнем случае на коллекторе для конденсата имеется штуцер для удаления неконденсирующегося газа.

Пластичные теплообменники (рис. 4, а, б) имеют щелевидные каналы, образованные параллельными пластинками. В простейшем случае пластины могут быть плоскими.



Рис. 4. Пластинчатые теплообменники: а -- пластинчатый воздухоподогреватель; б -- разборный пластинчатый теплообменник для тепловой обработки жидких сред; в -- гофрированные пластины; г -- профили каналов между пластинами; I, II -- вход и выход теплоносителя [1].

1.2 Физико - химические свойства теплоносителей

В данном процессе конденсации теплоносителями являются вода и этиловый спирт. Рассмотрим их физические свойства.

Вода (оксид водорода) - при нормальных условиях представляет собой прозрачную жидкость, не имеющую цвета (при малой толщине слоя), запаха и вкуса. В твёрдом состоянии называется льдом (кристаллы льда могут образовывать снег или иней), а в газообразном -- водяным паром.

Химическая формула Н2О

Молярная масса 18,015 г/моль

Плотность 0,998 г / см3

Температура кипения 99,97 0С

Теплопроводность 0,56 Вт/(м*К)

Температура замерзания 00С

Теплоемкость воды при t= 240C, 4179Дж/кг*К

Этиловый спирт ( этанол) - при стандартных условиях летучая, горючая, бесцветная прозрачная жидкость с характерным запахом и сладковато-жгучим вкусом. Этиловый спирт также используется как топливо, в качестве растворителя, как наполнитель в спиртовых термометрах и как дезинфицирующее средство. Физические свойства абсолютированного этанола (100 %) немного отличаются от свойств спирта-ректификата с концентрацией 95,57 %. Их свойства почти одинаковы, но численные величины различаются на 0,1--0,01 %.

Химическая формула С2Н5ОН

Молярная масса 46,069 г/моль

Плотность 0,998 г / см3

Температура кипения 78,39 0С

Температура плавления -114,150С

2. Математическое моделирование процесса

2.1 Основные формулы для расчета конденсатора

Расчет теплообменной аппаратуры состоит из 2-х основных этапов:

1. Определение теплового потока (тепловой нагрузки аппарата), т.е. количества тепла Q, которое должно быть передано за определенное время ф от одного теплоносителя к другому. Тепловой поток вычисляется путем составления и решения тепловых балансов.

2. Определение поверхности теплообмена F, обеспечивающей передачу требуемого количества тепла в заданное время ф. Поверхность теплообмена находят из основного уравнения теплопередачи, вычислив предварительно значение средней разности температур между теплоносителями ?tср и коэффициент теплопередачи К:

Q=K·F·?tср ·ф

В данной курсовой работе расчет кожухотрубчатого теплообменника - конденсатора, проводим с целью определения площади теплообменной поверхности F, необходимого для передачи нужного количества теплоты.

В расчете конденсатора необходимо учесть, что происходит изменение агрегатного состояния одного из теплоносителей - этанола.

В таких теплообменниках температура изменяющего агрегатное состояние теплоносителя остается постоянной вдоль поверхности теплопередачи и соответствует температуре фазового перехода, а температура второго теплоносителя монотонно изменяется. Следовательно, движущая сила и коэффициент теплопередачи изменяются вдоль поверхности. В этом случае расчет теплообменника будет на основе осредненных вдоль поверхности параметров теплообмена, либо поинтервально, разбивая всю поверхность теплообмена на участки и предполагая на каждом из них постоянными параметры теплообмена. Далее расчет теплообменника по осредненным вдоль всей поверхности параметрам. Предлагаемый алгоритм расчета будет относиться к одно- и многоходовым кожухотрубным теплообменникам, в которых в межтрубном пространстве конденсируются пары жидкостей, а в трубах, вследствие теплоты конденсации, происходит нагревание жидкостей или газов.

Коэффициент теплоотдачи к теплоносителю в трубах может быть представлен в виде:

(1)

;

x=0,023, y=0,8 - если Reтр 104 ;

x=0,008, y=0,9 - если 2300 Reтр 104 ;

Gтр - массовый расход теплоносителя в трубах;

d=dн-2ст - внутренний диаметр труб;

N - число труб;

z - число ходов по трубному пространству.

Соответственно, коэффициент теплоотдачи от пара, конденсирующегося на наружной поверхности вертикальных труб диаметром dн и высотой H, есть:

(2)

(3)

В случае горизонтальных труб имеем аналогичное соотношение:

(4)

(5)

где L - длина труб;

P - коэффициент, учитывающий число труб в вертикальном ряду в диаметральном сечении теплообменника, поэтому с увеличением числа труб в вертикальном ряду средний коэффициент теплоотдачи от пара уменьшается. В соответствии с литературными данными в программе принято: Р=0,7, если получающееся в результате расчета общее число труб n?100; если n>100, автоматически производится коррекция: P=0,6, и делается однократный перерасчет требуемого числа труб).

Величина поверхности теплоотдачи F связана с числом труб N соотношением:

(6)

Тогда задачу определения поверхности теплопередачи можно свести к задаче отыскания числа труб N заданной длины (высоты) и диаметра. Для этого используем уравнение теплопередачи:

(7)

(8).

Здесь Tcp - среднелогарифмическая движущая сила;

(Gпrк) - общая тепловая нагрузка;

- сумма термических сопротивлений стенки трубы и загрязнений.

После подстановки в уравнение всех составляющих оно приводится к виду:

(9)

Последнее уравнение можно решить относительно числа труб в теплообменнике N методом половинного деления, сущность которого уже рассмотрена ранее. После определения числа труб N необходимая поверхность теплообмена F определяется из уравнения (6).

Следует отметить, что для расчета поверхности теплопередачи по уравнению (6) необходимо предварительно задать ряд конструктивных параметров, а именно: тип теплообменника (горизонтальный, вертикальный), диаметр труб dн, число ходов z и высоту (длину) труб Н. На рисунке 6 приведена блок-схема алгоритма расчета теплообменника.

В программе предусмотрен расчет тр по формуле для развитого турбулентного режима движения теплоносителя в трубах (x=0,023; y=0,8). Если в результате расчета высоты и числа труб выбранного диаметра получается, что безразмерное число Рейнольдса лежит в диапазоне 2300Reтр104 , то производят коррекцию (x=0,008; y=0,9) и осуществляют пересчет необходимого для теплопередачи числа труб того же диаметра и высоты. Программой не предусмотрен расчет тр для ламинарного режима, поэтому в процессе выбора конструктивных характеристик теплообменника (диаметра труб dн, числа ходов z и высоты труб H) следует стремиться к тому, чтобы получающееся в результате расчета число труб N обеспечивало выполнение условия Reтр2300.

Рис. 6. Блок-схема алгоритма расчёта кожухотрубного теплообменника с изменением агрегатного состояния одного из теплоносителей.

3. Расчетная часть

3.1 Определение ориентировочного значения коэффициента теплопередачи и подбор теплообменных аппаратов

В данной курсовой работе необходимо рассчитать поверхность кожухотрубного конденсатора в межтрубном пространстве, которого при атмосферном давлении конденсируются пары органической жидкости. Подобрать нормализованный теплообменный аппарат.

Таблица 1 - Исходные данные

Рабочая среда	Назначение и тип аппарата	Расход, G * 10-3, кг/ч	Температура
			Тн, 0С	Тк, 0С
Этанол	Кожухотрубчатый конденсатор	5,6	18	30

Согласно рекомендациям методического указания к выполнению курсовой работы:

- выберем противоточный режим работы теплообменника;

- расчет будем вести по осредненным вдоль всей поверхности параметрам;

- в межтрубном пространстве конденсируются пары органической жидкости( этанола), а в трубах, вследствие теплоты конденсации, происходит нагревание жидкости ( воды).

- учесть, что коэффициент теплопередачи рассчитывать для развитого турбулентного режима, то есть Reтр> 2300.

Расчет

1 Найдем среднюю температуру:

78,370С - температура конденсации этилового спирта.

Определим среднюю температуру воды

Определим общую тепловую нагрузку, Q:

G - расход, кг/ч

r - удельная теплота парообразования этанола, определяемая при температуре конденсации, r = 837000 Дж/кг.

Рассчитаем расход воды

где

Q - тепловая нагрузка на аппарат, Вт;

Св - средняя удельная теплоемкость воды при t= 240C, Св = 4179Дж/кг*К

Определяем ориентировочное значение поверхности теплообмена, для чего по таблице 2 принимаем ориентировочное значение коэффициента теплопередачи.

Таблице 2 - Ориентировочные значения коэффициента теплопередачи К

Кор = 600 Вт/ м2*К

Число параллельных труб диаметром 252 мм, обеспечивающих условие Reтр104 при известном расходе воды:

где dв - внутренний диаметра трубы = 21 мм (25 - (2 · 2)) = 0,021 м;

тр - вязкость воды = 0,00089 Па·с, при средней температуре 24?С

nґ = = 89 шт.

Число параллельных труб диаметром 202 мм, обеспечивающих условие Reтр104 при известном расходе воды:

nґ = = 117 шт.

Коэффициент, учитывающий число труб в вертикальном ряду в диаметральном сечении теплообменника: 89/117=0,76

Выбираем по ГОСТ 15119-79 и ГОСТ 15121-79 конструкцию теплообменных аппаратов, наиболее близкое к заданному значению [1].

Таблица 3 - Подобранные теплообменные аппараты

№	Диаметр кожуха, D, м	Наружный диаметр труб d, м	Толщина стенки д, м	Число ходов по трубному пространству z	Число труб в пучке	Поверхность теплопередачи F, м2	Длина труб N
1	0,600	0,025	0,002	6	196	46	3,0
2	0,600	0,025	0,002	4	206	49	3,0
3	0,600	0,025	0,002	2	240	57	3,0
4	0,600	0,020	0,002	6	316	60	3,0
5	0,600	0,020	0,002	4	334	63	3,0

Далее произведем расчет конденсатора по программе СOND, предварительно определив по справочной литературе теплофизические показатели воды и этилового спирта.

3.2 Выполнение расчета в программе

Program COND;

Uses crt;

var

gtr0,gtr,tntr,tktr,ctr,kpr,fpr,qp,td,rd,rod,vd,ld,dtb,dtm,dt,tstr,gd,rotr,vtr,ltr,lst,tip,L, dh,delt,z,A,B,B1,B2,C,Q,retr,d,x,y,p,FA,FC,alfatr,alfamt,k,f,rx,ry:real;

J,nt:integer;

ch:char;

function power(base,expon:real):real;

begin

power:=exp(expon*ln(base));

end;

begin

writeln('Ввод данных для расчета теплообменника:');

write ('Введите расход нагреваемой жидкости(кг/час):');readln(gtr0);

write('Начальная температура нагреваемой жидкости(град):');readln(tntr);

write('Конечная температура нагреваемой жидкости(град):');readln(tktr);

write('Введите температуру конденсирующегося пара(град):');readln(td);

{Вычисление средней разности температур}

dtb:=td-tntr;

dtm:=td-tktr;

if dtb/dtm<2 then dt:=(dtb+dtm)/2 else dt:=(tktr-tntr)/(ln((td-tntr)/(td-tktr)));

{вычисление средней температуры нагреваемой жидкости}

tstr:=td-dt;

writeln('Средняя движущая сила равна:',dt:2:3,'град');

writeln('Средняя температура нагреваемой жидкости равна:',tstr:2:3,'град');

writeln;

write('Введите теплоемкость нагреваемой жидкости при средней температуре:');readln(ctr);

gtr:=gtr0/3600;

{Решение уравнения теплового баланса}

qp:=1.05*gtr*ctr*(tktr-tntr);

writeln('Количество теплоты, переданное жидкости равно: ',qp:2:3,' Вт');

{Выбор приближенного значения коэффициента теплопередачи}

write('Введите предварительный коэффициент теплопередачи:');readln(kpr);

{Определение предварительной поверхности теплообмена}

fpr:=qp/(kpr*dt);

writeln('Ориентировочная поверхность теплообмена равна:',fpr:2:3,' м2');

write('Нажми любую клавишу . . .');readkey;

{Выбор стандартного аппарата из типоразмерного ряда}

writeln('Ввод исходных данных для уточненного расчета поверхности теплообмена:');

writeln('Введите основные теплофизические параметры конденсата:');

write('Введите удельную теплоту конденсации пара:');readln(rd);

write ('Введите плотность конденсата:');readln(rod);

write('Введите вязкость конденсата:');readln(vd);

write('Введите коэффициент теплопроводности конденсата:');readln(ld);

{Ввoд теплофизических параметров нагреваемой жидкости}

writeln('Введите основные теплофизические параметры при средней температуре:');

write('Введите плотность нагреваемой жидкости:');readln(rotr);

write('Введите вязкость нагреваемой жидкости:');readln(vtr);

write('Введите коэффициент теплопроводности нагреваемой жидкости:');readln(ltr);

write('Введите коэффициент теплопроводности стенки:');readln(lst);

write('Введите термическое сопротивление загрязнения со стороны пара:');readln(ry);

write('Введите термическое сопротивление загрязнения со стороны жидкости:');readln(rx);

{Определение расхода греющего пара}

gd:=qp/rd;

{Расчет уточненного коэффициента теплопередачи и поверхности теплообмена}

ch:=' ';

while((ch<>'n')and(ch<>'N')) do

begin

write('Введите тип теплообменника (1-горизонтальный 2-вертикальный), [1,2]:');readln(tip);

write('Введите внешний диаметр трубы:');readln(dh);

write('Введите толщину стенки трубы:');readln(delt);

write('Введите расчётное количество труб в пучке:');readln(nt);

write('Введите длину труб:');readln(L);

write('Введите число ходов:');readln(z);

write('Введите коэффициент, учитывающий число труб в вертикальном ряду в диаметральном сечении теплообменника:');readln(P);

J:= 2;

d:=dh-2*delt;

retr:=4*gtr*z/(pi*vtr*d*nt);

if J=1 then

begin

x:=0.023;

y:=0.8;

end

else

begin

x:=0.008;

y:=0.9;

J:= 0;

end;

{Задание границ интервала поиска}

A:=1;

B:=5000;

C:=(A+B)/2;

repeat

B2:=ltr*X/d*power(4*gtr*z/(pi*vtr*d),Y)*power(ctr*vtr/ltr,(0.43));

if tip=1 THEN B1:=2.02*P*ld*power(rod*rod*L/(vd*gd),(1/3))

ELSE B1:=3.78*ld*power(rod*rod*dh/(vd*gd),(1/3));

Q:=A;FA:= power(Q,(-4/3))/B1+delt/lst/Q+power(Q,(Y-1))/B2-pi*(dh-delt)*L*dt/(gd*rd);

Q:=C;FC:= power(Q,(-4/3))/B1+delt/lst/Q+power(Q,(Y-1))/B2-pi*(dh-delt)*L*dt/(gd*rd);

IF FA*FC<=0 THEN B:=C ELSE A:=C;

C:=(A+B)/2;

until Not(ABS(B-A)>=0.5);

{Расчет поверхности теплообмена}

f:=z*pi*L*C*(dh+d)/2;

{Расчет числа Рейнольдса для теплоносителя в трубах}

retr:=4*gtr*z/(pi*vtr*d*C);

IF retr>10000 THEN J:=1 ELSE J:=0;

if J=1 then

begin

x:=0.023;

y:=0.8;

end

else

begin

x:=0.008;

y:=0.9;

J:= 0;

end;

{Расчет коэффициентов теплоотдачи}

Alfatr:=power(C,(-Y))*(ltr*X/d)*power(4*gtr/(pi*vtr*d),Y)*power(ctr*vtr/ltr,0.43);

IF tip=2 THEN Alfamt:=power(C,1/3)*2.02*P*ld*power(rod*rod*L/(vd*gd),1/3)

ELSE Alfamt:=power(C,1/3)*3.78*ld*power(rod*rod*dh/(vd*gd),1/3);

{Расчет коэффициента теплопередачи}

k:=1/(1/alfatr+ry+delt/lst+rx+1/alfamt);

writeln('Результаты расчетов:');

writeln('Число Рейнольдса для теплоносителя в трубах:',retr:1:2);

writeln('Коэффициент теплоотдачи в трубах:',alfatr:1:2,'');

writeln('Коэффициент теплоотдачи в межтрубном пространстве:',alfamt:1:2,'');

writeln('Коэффициент теплопередачи:',k:1:2);

writeln('Требуемая поверхность теплообмена:',f:1:2);

writeln('Число труб:',C:1:2);

writeln('Расход греющего пара:',gd:1:2);

writeln;

write('Новый расчет y/n:');

repeat

ch:=readkey;

until(ch='y')or(ch='Y')or(ch='n')or(ch='N');

end;

end.

Таблица идентификаторов к программе COND для первого варианта

Наименование параметров	Размерность	Обозначение	Значения
		в теории	в программе
1. Расход нагреваемой жидкости	кг/час	G	gtr0	46728
2. Начальная температура нагреваемой жидкости ( воды)	0С	Tн	tntr	18
3. Конечная температура нагреваемой жидкости	0С	Тк	tktr	30
4. Температура конденсации пара	0С	Тконд	td	78,37
5. Предварительный коэффициент теплопередачи	Вт/(м2*К)	Кпр	kpr	600
6. Удельная теплота конденсации пара этилового спирта	Дж/кг	rк	rd	837000
Теплофизические параметры конденсата, определяемые при температуре конденсации ( этанол)
7. Плотность конденсата	Кг/м3	Ск	rod	790
8. Вязкость конденсата	Па*с	м?	vd	0,000850
9. Коэффициент теплопроводности конденсата	Вт/(м*К)	лк	ld	0,152
Теплофизические параметры нагреваемой жидкости, определяемые при средней температуре жидкости ( воды)
10. Средняя температура нагреваемой жидкости	0С	Т2ср	tstr	24
11. Теплоемкость нагреваемой жидкости	Дж/(кг*К)	сж	ctr	4179
12. Вязкость нагреваемой жидкости	Па*с	м	vtr	0,00089
13. Коэффициент теплопроводности нагреваемой жидкости	Вт/(м*К)	лж	ltr	0,6
14. Коэффициент теплопроводности стенки	Вт/(м*К)	лст	lst	46,5
15. Термическое сопротивление загрязнений со стороны пара	м2*К/Вт	r31	ry	0,00008
16. Термическое сопротивление загрязнений со стороны жидкости	м2*К/Вт	r32	rx	0,00034
17. Плотность нагреваемой жидкости	кг/м3	?ж	rotr	996,95
Параметры теплообменного аппарата
18. Внешний диаметр трубы	м	dн	dh	0,025
19. Толщина стенки трубы	м	дст	delt	0,002
20. Внутренний диаметр трубы	м	d	d	0,021
21. Длина труб	м	L	L	3,0
22. Число ходов по трубному пространству	-	z	z	6
23. Тип теплообменника	-		tip	1
24. Общее число труб	шт	N	C	196
25. Коэффициент, учитывающий число труб в вертикальном ряду в диаметральном сечении теплообменника	-	P	Р	0,76
26. Расчетное количество труб в пучке	шт	n'	nt	89
Расчетные параметры
27. Средняя разность температур	0С	ДТср	dt	24
28. Расход пара	кг/с	Gn	gd	0.82
29. Общее количество теплоты	Вт	Q	qp	683467.092
30. Число Рейнольдса в трубах	-	Reтр	retr	98923.71
31. Коэффициент теплопередачи в трубах	Вт/(м2*К)	бтр	alfatr	3404.65
32. Коэффициент теплопередачи в межтрубном пространстве	Вт/(м2*К)	бмтр	alfamt	611.51
33. Коэффициент теплопередачи	Вт/(м2*К)	K	k	418.06
34. Требуемая поверхность теплообмена	м2	F	f	69.76

Таблица идентификаторов к программе COND для второго варианта

Наименование параметров	Размерность	Обозначение	Значения
		в теории	в программе
1. Расход нагреваемой жидкости	кг/час	G	gtr0	46728
2. Начальная температура нагреваемой жидкости ( воды)	0С	Tн	tntr	18
3. Конечная температура нагреваемой жидкости	0С	Тк	tktr	30
4. Температура конденсации пара	0С	Тконд	td	78,37
5. Предварительный коэффициент теплопередачи	Вт/(м2*К)	Кпр	kpr	600
6. Удельная теплота конденсации пара этилового спирта	Дж/кг	rк	rd	837000
Теплофизические параметры конденсата, определяемые при температуре конденсации ( этанол)
7. Плотность конденсата	Кг/м3	Ск	rod	790
8. Вязкость конденсата	Па*с	м?	vd	0.00085
9. Коэффициент теплопроводности конденсата	Вт/(м*К)	лк	ld	0,152
Теплофизические параметры нагреваемой жидкости, определяемые при средней температуре жидкости ( воды)
10. Средняя температура нагреваемой жидкости	0С	Т2ср	tstr	24
11. Теплоемкость нагреваемой жидкости	Дж/(кг*К)	сж	ctr	4179
12. Вязкость нагреваемой жидкости	Па*с	м	vtr	0,00089
13. Коэффициент теплопроводности нагреваемой жидкости	Вт/(м*К)	лж	ltr	0,6
14. Коэффициент теплопроводности стенки	Вт/(м*К)	лст	lst	46,5
15. Термическое сопротивление загрязнений со стороны пара	м2*К/Вт	r31	ry	0,00008
16. Термическое сопротивление загрязнений со стороны жидкости	м2*К/Вт	r32	rx	0,00034
17. Плотность нагреваемой жидкости	кг/м3	?ж	rotr	996,95
Параметры теплообменного аппарата
18. Внешний диаметр трубы	м	dн	dh	0,025
19. Толщина стенки трубы	м	дст	delt	0,002
20. Внутренний диаметр трубы	м	d	d	0,021
21. Длина труб	м	L	L	3,0
22. Число ходов по трубному пространству	-	z	z	4
23. Тип теплообменника	-		tip	1
24. Общее число труб	шт	N	C	206
25. Коэффициент, учитывающий число труб в вертикальном ряду в диаметральном сечении теплообменника	-	P	Р	0,76
26. Расчетное количество труб в пучке	шт	n'	nt	89
Расчетные параметры
27. Средняя разность температур	0С	ДТср	dt	24
28. Расход пара	кг/с	Gn	gd	0.82
29. Общее количество теплоты	Вт	Q	qp	683467.092
30. Число Рейнольдса в трубах	-	Reтр	retr	64481.79
31. Коэффициент теплопередачи в трубах	Вт/(м2*К)	бтр	alfatr	3343.92
32. Коэффициент теплопередачи в межтрубном пространстве	Вт/(м2*К)	бмтр	alfamt	616.12
33. Коэффициент теплопередачи	Вт/(м2*К)	K	k	419.26
34. Требуемая поверхность теплообмена	м2	F	f	47.56

Таблица идентификаторов к программе COND для третьего варианта

Наименование параметров	Размерность	Обозначение	Значения
		в теории	в прог рамме
1. Расход нагреваемой жидкости	кг/час	G	gtr0	46728
2. Начальная температура нагреваемой жидкости ( воды)	0С	Tн	tntr	18
3. Конечная температура нагреваемой жидкости	0С	Тк	tktr	30
4. Температура конденсации пара	0С	Тконд	td	78,37
5. Предварительный коэффициент теплопередачи	Вт/(м2*К)	Кпр	kpr	600
6. Удельная теплота конденсации пара этилового спирта	Дж/кг	rк	rd	837000
Теплофизические параметры конденсата, определяемые при температуре конденсации ( этанол)
7. Плотность конденсата	Кг/м3	Ск	rod	790
8. Вязкость конденсата	Па*с	м?	vd	0,00085
9. Коэффициент теплопроводности конденсата	Вт/(м*К)	лк	ld	0,152
Теплофизические параметры нагреваемой жидкости, определяемые при средней температуре жидкости ( воды)
10. Средняя температура нагреваемой жидкости	0С	Т2ср	tstr	24
11. Теплоемкость нагреваемой жидкости	Дж/(кг*К)	сж	ctr	4179
12. Вязкость нагреваемой жидкости	Па*с	м	vtr	0,00089
13. Коэффициент теплопроводности нагреваемой жидкости	Вт/(м*К)	лж	ltr	0,6
14. Коэффициент теплопроводности стенки	Вт/(м*К)	лст	lst	46,5
15. Термическое сопротивление загрязнений со стороны пара	м2*К/Вт	r31	ry	0,00008
16. Термическое сопротивление загрязнений со стороны жидкости	м2*К/Вт	r32	rx	0,00034
17. Плотность нагреваемой жидкости	кг/м3	?ж	rotr	996,95
Параметры теплообменного аппарата
18. Внешний диаметр трубы	м	dн	dh	0,025
19. Толщина стенки трубы	м	дст	delt	0,002
20. Внутренний диаметр трубы	м	d	d	0,021
21. Длина труб	м	L	L	3,0
22. Число ходов по трубному пространству	-	z	z	2
23. Тип теплообменника	-		tip	1
24. Общее число труб	шт	N	C	240
25. Коэффициент, учитывающий число труб в вертикальном ряду в диаметральном сечении теплообменника	-	P	Р	0,76
26. Расчетное количество труб в пучке	шт	n'	nt	89
Расчетные параметры
27. Средняя разность температур	0С	ДТср	dt	24
28. Расход пара	кг/с	Gn	gd	0.82
29. Общее количество теплоты	Вт	Q	qp	683467.092
30. Число Рейнольдса в трубах	-	Reтр	retr	29911.56
31. Коэффициент теплопередачи в трубах	Вт/(м2*К)	бтр	alfatr	3149.20
32. Коэффициент теплопередачи в межтрубном пространстве	Вт/(м2*К)	бмтр	alfamt	631.71
33. Коэффициент теплопередачи	Вт/(м2*К)	K	k	423.09
34. Требуемая поверхность теплообмена	м2	F	f	25.63

Таблица идентификаторов к программе COND для четвертого варианта

Наименование параметров	Размерность	Обозначение	Значения
		в теории	в прог рамме
1. Расход нагреваемой жидкости	кг/час	G	gtr0	46728
2. Начальная температура нагреваемой жидкости ( воды)	0С	Tн	tntr	18
3. Конечная температура нагреваемой жидкости	0С	Тк	tktr	30
4. Температура конденсации пара	0С	Тконд	td	78,37
5. Предварительный коэффициент теплопередачи	Вт/(м2*К)	Кпр	kpr	600
6. Удельная теплота конденсации пара этилового спирта	Дж/кг	rк	rd	837000
Теплофизические параметры конденсата, определяемые при температуре конденсации ( этанол)
7. Плотность конденсата	Кг/м3	Ск	rod	790
8. Вязкость конденсата	Па*с	м?	vd	0,00085
9. Коэффициент теплопроводности конденсата	Вт/(м*К)	лк	ld	0,152
Теплофизические параметры нагреваемой жидкости, определяемые при средней температуре жидкости ( воды)
10. Средняя температура нагреваемой жидкости	0С	Т2ср	tstr	24
11. Теплоемкость нагреваемой жидкости	Дж/(кг*К)	сж	ctr	4179
12. Вязкость нагреваемой жидкости	Па*с	м	vtr	0,00089
13. Коэффициент теплопроводности нагреваемой жидкости	Вт/(м*К)	лж	ltr	0,6
14. Коэффициент теплопроводности стенки	Вт/(м*К)	лст	lst	46,5
15. Термическое сопротивление загрязнений со стороны пара	м2*К/Вт	r31	ry	0,00008
16. Термическое сопротивление загрязнений со стороны жидкости	м2*К/Вт	r32	rx	0,00034
17. Плотность нагреваемой жидкости	кг/м3	?ж	rotr	996,95
Параметры теплообменного аппарата
18. Внешний диаметр трубы	м	dн	dh	0,020
19. Толщина стенки трубы	м	дст	delt	0,002
20. Внутренний диаметр трубы	м	d	d	0,016
21. Длина труб	м	L	L	3,0
22. Число ходов по трубному пространству	-	z	z	6
23. Тип теплообменника	-		tip	1
24. Общее число труб	шт	N	C	316
25. Коэффициент, учитывающий число труб в вертикальном ряду в диаметральном сечении теплообменника	-	P	Р	0,76
26. Расчетное количество труб в пучке	шт	n'	nt	117
Расчетные параметры
27. Средняя разность температур	0С	ДТср	dt	24
28. Расход пара	кг/с	Gn	gd	0.82
29. Общее количество теплоты	Вт	Q	qp	683467.092
30. Число Рейнольдса в трубах	-	Reтр	retr	109314.88
31. Коэффициент теплопередачи в трубах	Вт/(м2*К)	бтр	alfatr	4840.33
32. Коэффициент теплопередачи в межтрубном пространстве	Вт/(м2*К)	бмтр	alfamt	601.19
33. Коэффициент теплопередачи	Вт/(м2*К)	K	k	428.63
34. Требуемая поверхность теплообмена	м2	F	f	64.84

Таблица идентификаторов к программе COND для пятого варианта

Наименование параметров	Размерность	Обозначение	Значения
		в теории	в прог рамме
1. Расход нагреваемой жидкости	кг/час	G	gtr0	46728
2. Начальная температура нагреваемой жидкости ( воды)	0С	Tн	tntr	18
3. Конечная температура нагреваемой жидкости	0С	Тк	tktr	30
4. Температура конденсации пара	0С	Тконд	td	78,37
5. Предварительный коэффициент теплопередачи	Вт/(м2*К)	Кпр	kpr	600
6. Удельная теплота конденсации пара этилового спирта	Дж/кг	rк	rd	837000
Теплофизические параметры конденсата, определяемые при температуре конденсации ( этанол)
7. Плотность конденсата	Кг/м3	Ск	rod	790
8. Вязкость конденсата	Па*с	м?	vd	0,00085
9. Коэффициент теплопроводности конденсата	Вт/(м*К)	лк	ld	0,152
Теплофизические параметры нагреваемой жидкости, определяемые при средней температуре жидкости ( воды)
10. Средняя температура нагреваемой жидкости	0С	Т2ср	tstr	24
11. Теплоемкость нагреваемой жидкости	Дж/(кг*К)	сж	ctr	4179
12. Вязкость нагреваемой жидкости	Па*с	м	vtr	0,00089
13. Коэффициент теплопроводности нагреваемой жидкости	Вт/(м*К)	лж	ltr	0,6
14. Коэффициент теплопроводности стенки	Вт/(м*К)	лст	lst	46,5
15. Термическое сопротивление загрязнений со стороны пара	м2*К/Вт	r31	ry	0,00008
16. Термическое сопротивление загрязнений со стороны жидкости	м2*К/Вт	r32	rx	0,00034
17. Плотность нагреваемой жидкости	кг/м3	?ж	rotr	996,95
Параметры теплообменного аппарата
18. Внешний диаметр трубы	м	dн	dh	0,020
19. Толщина стенки трубы	м	дст	delt	0,002
20. Внутренний диаметр трубы	м	d	d	0,016
21. Длина труб	м	L	L	3.0
22. Число ходов по трубному пространству	-	z	z	4
23. Тип теплообменника	-		tip	1
24. Общее число труб	шт	N	C	334
25. Коэффициент, учитывающий число труб в вертикальном ряду в диаметральном сечении теплообменника	-	P	Р	0,76
26. Расчетное количество труб в пучке	шт	n'	nt	117
Расчетные параметры
27. Средняя разность температур	0С	ДТср	dt	24
28. Расход пара	кг/с	Gn	gd	0.82
29. Общее количество теплоты	Вт	Q	qp	683467.092
30. Число Рейнольдса в трубах	-	Reтр	retr	71506.58
31. Коэффициент теплопередачи в трубах	Вт/(м2*К)	бтр	alfatr	4767.40
32. Коэффициент теплопередачи в межтрубном пространстве	Вт/(м2*К)	бмтр	alfamt	605.00
33. Коэффициент теплопередачи	Вт/(м2*К)	K	k	429.99
34. Требуемая поверхность теплообмена	м2	F	f	44.05

3.3 Анализ полученных результатов

Рассмотрим 1 вариант горизонтального теплообменника (Т=1) с наружным диаметром труб - 0,025 м, числом ходов - 6 и длиной труб - 3 м.

Запас поверхности теплообмена составляет: ? = · 100 = 74.8%

2 вариант горизонтального теплообменника (Т=1) с наружным диаметром труб - 0,025 м, числом ходов - 4 и длиной труб - 3 м.

Запас поверхности теплообмена составляет: ? = · 100 = 19.17%

3 вариант горизонтального теплообменника (Т=1) с наружным диаметром труб - 0,025 м, числом ходов - 2 и длиной труб - 3 м.

Запас поверхности теплообмена составляет: ? = · 100 =

-35.78%

4 вариант горизонтального теплообменника (Т=1) с наружным диаметром труб - 0,020 м, числом ходов - 6 и длиной труб - 3 м.

Запас поверхности теплообмена составляет: ? = · 100 =

62.46%

5 вариант горизонтального теплообменника (Т=1) с наружным диаметром труб - 0,020 м, числом ходов - 4 и длиной труб - 3 м.

Запас поверхности теплообмена составляет: ? = · 100 =

10.37%

Выбираем 2 ой вариант горизонтальный четырехходовой теплообменник

Эскиз выбранного конденсатора

Список используемой литературы

1. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Издательство: Л.«Химия» 1987. - 572 с.

2. Дытнерский Ю.И. 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-е изд., перераб. и дополн. - М.:Химия, 1991. -- 400 с.

3. Шагарова, А. А. Моделирование работы рекуперативных теплообменных аппаратов: учеб. пособие/ Сост. А. А. Шагарова, Н. А. Дулькина, Е. А. Селезнева, В. И. Лапицкий/ Волгоград, гос. техн. ун-т. -Волгоград, 2003. - 57 с.

Размещено на Allbest.ru