Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Северский технологический институт - филиал

Федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования

«Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

(СТИ НИЯУ МИФИ)

Кафедра МАХП

РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕННИКА КОЖУХОТРУБЧАТОГО

Расчетная работа

ПАХТ 149. 02. 00. РР

Выполнил:

студент гр. Д-149

__________Борисова М.А.

Проверил:

преподаватель:

_________Зарипова Л.Ф.

Северск 2012

Содержание

Введение

1. Цель расчета

2. Данные для расчета

3. Тепловой расчет аппарата

3.1 Тепловая нагрузка аппарата

3.2 Расчет средних температур теплоносителей и средней разности температур

3.3 Расчет коэффициентов теплоотдачи от конденсирующего пара к стенке

3.4 Определение поверхности теплообмена

4. Конструктивный расчет теплообменника

4.1 Определение числа труб и числа ходов в трубном пространстве

4.2 Внутренний диаметр корпуса

4.3 Диаметр патрубков

5. Гидравлический расчет теплообменника

6. Расчет изоляции

7. Подбор материала для корпуса

Заключение

Литература

Эскиз теплообменника (приложение А)

Введение

Теплообменная аппаратура широко применяется в химической технологии в различных процессах нагревания, охлаждения растворов, жидкостей, конденсации пара, испарения жидкости.

Кожухотрубчатые теплообменники в настоящее время являются самыми распространенными теплообменными аппаратами. Они обеспечивают высокую теплопроизводительность, большую поверхность теплопередачи. Наиболее целесообразно применение кожухотрубчатых теплообменников для парожидкостного теплообмена. В этом случае пар конденсируется в межтрубном пространстве, обеспечивая равномерность температуры и высокий коэффициент теплопередачи, а раствор или жидкость пропускается по трубному пространству, в котором можно достичь высокую скорость движения, тем самым повысить интенсивность теплообмена. С целью увеличения скорости движения теплоносителя и интенсификации теплообмена в теплообменнике устанавливают перегородки в трубном или межтрубном пространствах, то есть теплообменники выполняют многоходовыми.

Кожухотрубчатые теплообменники могут выполняться в вертикальном или горизонтальном исполнении.

Данная работа посвящена расчету кожухотрубчатого парожидкостного теплообменника.

1. Цель расчета

Целью расчета является закрепление теоретических выводов и расчетно-практических рекомендаций по курсу «Процессы и аппараты химической технологии» и их приложение к конкретному расчету кожухотрубчатого горизонтального или вертикального парожидкостного теплообменника.

2. Исходные данные

Исходные данные приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Исходные данные

1 Конденсирующийся насыщенный пар	Этиловый спирт
2 Давление пара, МПа	0,1
3 Жидкость - раствор	Вода
4 Концентрация раствора, %	-
5 Производительность по пару, кг/с	0,25
6 Начальная температура жидкости, 0С	14
7 Конечная температура жидкости, 0С	45

3. Тепловой расчет аппарата

3.1 Тепловой расчет

Целью теплового расчета теплообменного аппарата является определение тепловых потоков в аппарате, его тепловой нагрузки, истинных значений коэффициентов теплопередачи, температур стенок и поверхности теплообмена.

(1)

Q - тепловая нагрузка аппарата (количество переданного тепла).

где D - расход пара, кг / с;

iп - энтальпия насыщенного пара, Дж/кг;

где iк- энтальпия конденсата, Дж / кг;

r - удельная теплота парообразования или конденсации, Дж / кг;

п - коэффициент полезного использования тепла в аппарате;

G2 - массовый расход жидкости второго теплоносителя, кг / с;

C2 - удельная теплоемкость жидкости, Дж / кг · К;

t2к - конечная температура жидкости;

t2н - начальная температура жидкости.

3.2 Расчет средних температур теплоносителей и средней разности температур

Определение средних температур горячего теплоносителя:

t1ср=tконд (при рпара=0,1МПа)

t1ср=78,370С (при рпара=0,1Мпа) [1]

.

Теплота испарения жидких веществ:

При t=600C , r=210ккал/кг

При t=800С, r=203ккал/кг => при t=78,370С - r=203.4190=850570Дж/кг

[ Плановский приложение VII].

В случае конденсации пара в теплообменнике средняя температура первого (горячего) теплоносителя равна температуре конденсации пара.

Размещено на http://www.allbest.ru/

;

.

Средняя разность температур между теплоносителями определяется по формуле:

0C < 2

Определим tIIcp:

.

По таблице удельной теплоемкости жидких веществ и водных растворов при tIIcp=300С определим:

=4,18КДж/кг·К=4,18·103Дж/кг·К. [2 - стр. 512 табл.XXXIX]

3.3 Расчет коэффициентов теплоотдачи от конденсирующего пара к стенке

Принимаем Н=2м, (tконд-tст1)=10, 50, 100, 150, 200С.



Рассчитываем для каждой tст1 коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенки по формуле :

где коэффициент теплопроводности конденсата, Вт/м · К;

плотность конденсата, кг/м3;

r - удельная теплота конденсации, Дж/кг;

g - ускорение свободного падения, g=9,81м/с2;

- динамический коэффициент вязкости, Па.с;

d - наружний диаметр трубы, d= 0,025 м;

tст1 - температура стенки, 0С.

Найдем значения при температурах конденсации и составим таблицу 2:

Таблица 2 - Расчетные значения

	кг/м3	Н·с/м2	Вт/м · К
tIcp=78,37?80	735	0,435·10-3	0,164
tIIcp=77,37	737	0,465·10-3	0,164
tIIIcp=73,37	741	0,487·10-3	0,164
tIIIIcp=68,37	746	0,526·10-3	0,164
tIVIcp=63,37	751	0,565·10-3	0,165
tVIcp=58,37	755	0,610·10-3	0,165

1) Для tIIcp методом интерполяции, которая представлена в таблице 3, найдем значения и запишем их в таблицу 2 :

Таблица 3 - Метод интерполяции

tIIcp	кг/м3	Н·с/м2	Вт/м · К
60	754	0,591·10-3	0.165
77,37	Х	У	Z
80	735	0,435·10-3	0,164

теплообменник конденсирующий гидравлический трубный

Этим же методом рассчитаем ?, ?, ??для tIIIcp, tIIIIcp, tIVIcp, tVIcp и подставим в таблицу 2. [ Плановский. Приложение 1, 2]

По формуле (3) для разных температур определим:

Определим удельный тепловой поток из уравнения теплоотдачи по формуле:



;

Из формулы:

Определим ряд значений температуры стенки со стороны нагреваемой жидкости:

где ст - толщина стенки трубок, ?ст=0,002м;

ст - коэффициент теплопроводности материала трубок, ? ст=46,5Вт/мК.



Рассчитаем коэффициент теплоотдачи от стенки к жидкости:

(6)

где еl- поправочный коэффициент, ?l=1,0;

Pr - критерий Прандтля при средней температуре tIIcр;

Prст - критерий Прандтля при температуре стенки.

(7)

где при tIIcp=300C:

=4,18КДж/кг·К,

м=804·10-6Па·с,

л=61,8·10-2Вт/м·К. [ 2 - стр. 520]

Найдем значения С, л, м при температурах стенки со стороны нагреваемой жидкости и составим таблицу 3:

Таблица 3 - Расчетные значения С, л, м

	C, Дж/кг·К	м, Па·с	л, Вт/м·К
tIIcp=300С	4,18·103	804·10-6	61,4·10-2
tIст2=76,29	4,19·103	373,921·10-6	66,36·10-2
tIIст2=73,02	4,19·103	390,598·10-6	67,01·10-2
tIIIст2=67,79	4,18·103	420,923·10-6	66,60·10-2
tIVст2=62,59	4,18·103	470·10-6	65,9·10-2
tVст2=57,41	4,18·103	490,461·10-6	65,6·10-2

1) Для tIст2 методом интерполяции, представленной в таблице 4, найдем значения С, л, м и подставим их в таблицу 3:

Таблица 4 - Метод интерполяции

tIст2	C, Дж/кг·К	м, Па·с	л, Вт/м·К
70	4,19·103	406·10-6	66,8·10-2
76,29	х	у	z
80	4,19·103	355·10-6	67,5·10-2

Этим же методом рассчитываем С, л, м для tIIст2, tIIIст2, tIVст2, tVст2 и подставим в таблицу 3. [2- стр.520]

По формуле (7), определим критерии Прандтля при различных температурах tст2:

По формуле (6) рассчитываем критерий Нуссельта:

Рассчитываем коэффициент теплоотдачи от стенки к жидкости:

Определим удельный тепловой поток из уравнения теплоотдачи по формуле:

3.4 Определение поверхности теплообмена

Определим истинное значений удельного теплового потока. Для этого построим график зависимости удельных тепловых потоков qI и qII от температуры стенки tст1, по значениям, которые приведены в таблице 5.

Таблица 5 - Зависимость удельных тепловых потоков qI и qII от температуры стенки tст1

tст, 0С	77,37	73,37	68,37	63,37	58,37
q1, Вт/м2	2499	8200	13580	18225	22240
q2, Вт/м2	125583	116954	96441	83149	68643

Так как по полученным значениям мы не находим точку пересечения двух кривых, то необходимо расчитать дополнительные точки.

Построим дополнительные точки:

1) (tконд-tст)=25o, 30o, 35o, 40 oC

2) tVIст1=78,37-25=53,37

3) tVIIст1=78,37-30=48,37,

4) tVIIIст1=78,37-35=43,37,

5) tIXст1=78,37-40=38,37.

Для tVIст1, tVIIст1, tVIIIст1, tIXст1 методом интерполяции найдем значения л, м, с и подставим их в таблицу 6:

Таблица 6 - Расчетные значения л, м, с

	кг/м3	Н·с/м2	л, Вт/м·К
tVIст1	759	0,669·10-3	0,166
tVIIст1	764	0,727·10-3	0,166
tVIIIст1	768	0,786·10-3	0,167
tIXст1	773	0,855·10-3	0,167

1) Для tVIст1 методом интерполяции, представленной в таблице 7, найдем значения С, л, м и подставим их в таблицу 6:

Таблица 7 - Метод интерполяции

t, oC	кг/м3	Н·с/м2	л, Вт/м·К
40	772	0,825·10-3	0,167
53,37	Х	у	Z
60	754	0,591·10-3	0,165

Этим же методом считаем tVIIст1, tVIIIст1, tIXст1, полученные данные заносим в таблицу (5).

По формуле (3) определим коэффициент теплоотдачи:

Определим удельный тепловой поток из уравнения теплоотдачи по формуле (4):

Определим ряд значений температуры стенки со стороны нагреваемой жидкости по формуле (5):

Найдем значения С, л, м при температурах стенки со стороны нагреваемой жидкости и составим таблицу 8:

Таблица 8 - Расчетные значения л, м, с

	C, Дж/кг·К	м, Па·с	л, Вт/м·К
tVIст2=52,26	4,18·103	531·10-6	65·10-2
tVIIст2=47,12	4,18·103	580·10-6	64,4·10-2
tVIIIст2=41,98	4,18·103	657·10-6	63,4·10-2
tIXст2=36,86	4,18·103	703·10-6	62,8·10-2

1) Для tVIст2=52,26 методом интерполяции, представленной в таблице 7, найдем значения С, л, м и подставим их в таблицу 9:

Таблица 9 - Метод интерполяции

tVIст2	C, Дж/кг·К	м, Па·с	л, Вт/м·К
50	4,18·103	549·10-6	64,8·10-2
52,26	Х	у	Z
60	4,18·103	470·10-6	65,9·10-2

Этим же методом рассчитываем С, л, м для tVIIст2, tVIIIст2, tIXст2, и подставим в таблицу 6.

По формуле (7), определим критерии Прандтля при различных температурах tст2:

По формуле (6) рассчитываем критерий Нуссельта:



Рассчитываем коэффициент теплоотдачи от стенки к жидкости:

Определим удельный тепловой поток из уравнения теплоотдачи по формуле (8):

Определим истинное значений удельного теплового потока. Для этого построим график зависимости удельных тепловых потоков qI и qII от температуры стенки tст1, по значениям, которые приведены в таблице 10.

Таблица 10 - Зависимость удельных тепловых потоков qI и qII от температуры стенки tст1

tст, 0С	77,37	73,37	68,37	63,37	58,37	53,37	48,37	43,37	38,37
q1,Вт/м2	2499	8200	13580	18225	22240	25875	29130	32305	35080
q2, Вт/м2	125583	116954	96441	83149	68643	54510	40843	27493	15625

График 1 - Определение истинного значения удельного теплового потока

Из графика следует:

Ордината точки пересечения кривых соответствует истинному значению теплового потока, а абсцисса - истинное значение температуры стенки:

Определим истинное значение коэффициентов теплоотдачи [3]:

Из формулы (9) найдем:

Тогда коэффициент теплоотдачи из выражения (9) будет равен:

Определяем поверхность теплообмена:

Вт

4. Конструктивный расчет теплообменника

4.1 Определение числа труб и числа ходов в трубном пространстве

Определим число труб на основании рассчитанной поверхности теплообмена F :

где n - число труб;

dp - расчетный диаметр трубы, м;

l - длина труб, м.

Число труб одного хода в трубном пространстве определим из объемного расхода теплоносителя и его скорости движения :

где V - объемный расход теплоносителя, м3/с;

n0 - число труб в одном ходе;

dвн - внутренний диаметр труб, м;

w - скорость движения теплоносителя, м/с.

За расчетный диаметр принимаем средний диаметр трубы:



Как видно из предыдущих расчетов, при конструировании теплообменника приняли трубы длиной 2000 мм. Скорость движения теплоносителя рассчитаем из формулы критерия Рейнольдса:

где сн2о=996кг/м3 , при tIIср=29,50С [1, c.520]

Найдем число ходов в трубном пространстве:

Принимаем Zтр= 4.

4.2 Внутренний диаметр корпуса

Внутренний диаметр корпуса зависит от диаметра, шага, числа труб и схемы размещения в трубном пучке.

Расстояние между осями труб - шаг зависит от наружного диаметра [3]:

Общее число труб: n=61, в=9 [ 3 - стр. 28]

Диаметр корпуса D0 многоходового теплообменника рассчитывается по формуле:

где 0,6-0,8 - коэффициент заполнения трубной решетки.

Принимаем D0=377 мм [ 4 - стр. 440 табл. 16.1]

4.3 Диаметр патрубков

Диаметр патрубков зависит от объемного расхода и скорости движения теплоносителя и определяется из уравнения расхода:

- Для спирта находим по формуле формула Клапейрона-Менделеева плотность пара:

Диаметр входного патрубка для насыщенного пара :

где Wпара=(10...20)м/с;

принимаем dпара=125мм [ 5 - стр. 175 табл. 10.2]

Диаметр патрубка для удаления конденсата пара:

где Wконд=(0,1...0,5)м/с;

принимаем dконд=80мм [ 5 - стр. 175 табл. 10.2]

- Для воды:

При tн=140С, сн н2о=1000кг/м3

При tк=450С, ск н2о=992кг/м3 [ 2 - стр. 520]

Диаметр патрубков :

где Wн2о=(0,5...2,5)м/с;

принимаем dНн2о=50мм [ 5 - стр. 175 табл. 10.2]

где Wн2о=(0,5...2,5)м/с;

принимаем dКн2о=50мм [ 5 - стр. 175 табл. 10.2]

5. Гидравлический расчет теплообменника

Гидравлическое сопротивление для трубного пространства теплообменного аппарата определяется по формуле:

где ?Р - потеря давления на трение и преодоление местных сопротивлений, Па;

коэффициент трения;

Zтр - число ходов по трубному пространству;

l - длина трубок, м;

dвн - внутренний диаметр трубок, м;

сумма коэффициентов местных сопротивлений;

плотность теплоносителя, кг/м3;

w - скорость движения теплоносителя, м/с.

Значение коэффициента трения определяется по формуле:

,

при Re = 10000 , е=0,009·10-3м.

л=0,0307.

Сумма коэффициентов местных сопротивлений будет равна [6]:

где 1,5 - входная или выходная камера;

2,5 - поворот на 1800 между ходами;

1,0 - вход трубы или выход из них,

Потеря давления на трение и преодоление местных сопротивлений равна:

при с=996кг/м3 при tIIcp=29,50C.

Мощность, потребляемая двигателем насоса, рассчитаем по формуле:

где N - мощность насоса, Вт;

V - объемный расход теплоносителя, м3/с;

Р - полная потеря напора, Па;

общий к.п.д. насосной установки, ?=0,7-0,8.

6. Расчет изоляции

Войлок технический (ГОСТ 6418-81), предельно работающие температуры 1000C , с=170кг/м3.

Коэффициенты теплопроводности:

л=А+В·t, Вт/м·К,

А=0,047, В=19,8·10-5, удельная теплоемкость 1,88КДж/кг·К

лизол=0,047+19,8·10-5·80=0,0628 Вт/м·К,

Qтепл. нагр.=Dr=0,25.850570= 212642Вт/м2

Qпотерь=419,305Вт/м2

7. Подбор материала для корпуса

1) Х18Н10Т для С2Н5ОН

2) [у]=130МПа [ГОСТ сосуды и аппараты, табл.2]

цR=1

Принимаем толщину стенки S=3мм

0,1МПа<0,764Мпа

Заключение

В результате расчета теплообменного аппарата были установлены:

1) его тепловая нагрузка Q|, которая равна 2,126 · 105 кВт;

2) массовый расход жидкости, равный 1,559 кг/с;

3) диаметр аппарата D0 = 0,377 м;

4) число ходов Zтр= 4;

5) коэффициент теплопередачи к = 636,336 Вт/м2К.

Литература

1 Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. - Л.: Химия, 1969. - 624с.

2 Пищулин В.П. Расчет кожухотрубчатого теплообменника / Руководство для студентов. -Томск: Отделение № 1 ПТУ, 1992. -54 с.

3 Рамм В.М., Плановский А.Н., Каган С.З. Процессы и аппараты химической технологии. - Л.: Химия.

4 Гришин С.Н. Расчет трубопроводных сетей химических предприятий: Руководство для студентов. - Томск: СТИ ТПУ, 1991. - 109с

5 А.А. Лащинский - Конструирование сварных химических аппаратов. Справочник

6 Романков П.Г. Методы расчета процессов и аппаратов химической технологии (примеры и задачи)/ П.Г. Романков, В.Ф. Фролов, О.М. Фисюк. -СПб.: Химиздат, 2009.-444с.

Размещено на Allbest.ru