Выбор и расчет теплообменника
Для снижения гидравлического сопротивления в теплообменнике может быть достаточно сократить количество ходов теплообменника, если такое возможно. Наиболее подходящий теплообменный аппарат, указанный в литературе с меньшим числом ходов: Если же величина? р значительно превышает допустимую, то возможно принять два параллельно включенных по данному теплоносителю теплообменника с тем, чтобы возможно… Читать ещё >
Выбор и расчет теплообменника (реферат, курсовая, диплом, контрольная)
Теплообменник, теплообменный аппарат — устройство, в котором осуществляется передача теплоты от горячего теплоносителя к холодному (нагреваемому). Теплоносителями могут быть газы, пары, жидкости. В зависимости от назначения теплообменные аппараты используют как нагреватели и как охладители. Применяется в технологических процессах нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической, газовой и других отраслях промышленности, в энергетике и коммунальном хозяйстве.
Классификация теплообменников возможна по различным признакам. По способу передачи тепла различаются теплообменники смешения, в которых рабочие среды непосредственно соприкасаются или перемешиваются, и поверхностные теплообменники-рекуператоры, в которых тепло передаётся через поверхность нагрева — твёрдую (металлическую) стенку, разделяющую эти среды.
По основному назначению различаются подогреватели, испарители, холодильники, конденсаторы.
В зависимости от вида рабочих сред различаются теплообменники:
· жидкостно-жидкостные — при теплообмене между двумя жидкими средами;
· паро-жидкостные — при теплообмене между паром и жидкостью (паровые подогреватели, конденсаторы);
· газо-жидкостные — при теплообмене между газом и жидкостью (холодильники для воздуха).
· газово-газовые — при теплообмене между газом и газом и др.
По тепловому режиму различаются теплообменники периодического действия, в которых наблюдается нестационарный тепловой процесс, и непрерывного действия с установившимся во времени процессом.
Многотрубный кожухотрубчатый теплообменник представляет собой пучок трубок, помещенных в цилиндрическую камеру (кожух); таким образом, внутренность камеры является межтрубным пространством. Трубки закреплены в трубные решетки, ограничивающие камеру со всех сторон. К трубным решеткам крепятся распределительные коробки с патрубками для впуска рабочей жидкости, протекающей внутри трубок. Камера снабжена также патрубками для подвода и отвода второго рабочего тела. Трубки латунные, медные или стальные применяются диаметром от 10 мм и выше; трубки имеют большие диаметры при вязких или загрязненных жидкостях. Для помещения в кожухе большей поверхности теплообмена и получения большего коэффициента теплоотдачи выгоднее применять трубки меньшего диаметра. Трубные решетки могут быть наглухо приварены или приклёпаны к корпусу, одна из решеток может быть не соединена с камерой. В этом случае уплотнение достигается резиновым кольцом, зажимающим щель между корпусом и решеткой, линзовыми компенсаторами и U-образными трубками. Кожух теплообменника обычно стальной, цилиндрический. Иногда для обеспечения свободы температурного расширения кожуха и трубок на кожухе устраивают компенсатор.
Кожухотрубчатые теплообменники достаточно просты в изготовлении, отличаются возможностью развивать большую поверхность теплообмена в одном аппарате, надежны в работе. Один из теплоносителей протекает по трубам, другой по межтрубному пространству. Теплота от одного теплоносителя другому передается через поверхность стенок труб. Обычно теплоносители подают в противоток. Такое движение теплоносителей способствует более эффективному переносу теплоты.
В одноходовом теплообменнике оба теплоносителя, не изменяя направления, движутся по всему сечению (один по трубному, другой по межтрубному), в других случаях 2,4,6-ти ходовые теплообменники. Когда скорость движения теплоносителя невелика и, следовательно, низки коэффициенты теплоотдачи, целесообразно использовать многоходовые теплообменники по трубному пространству. В многоходовом по трубному пространству теплообменнике с помощью поперечных перегородок 2, установленных в крышках теплообменников, трубный пучок разделен на секции, или ходы, по которым последовательно движется теплоноситель. При этом число труб в каждой секции обычно примерно одинаковое.
1. Теловой расчет
Температурная схема процесса теплообмена: 55−28°С — ацетон; 15−40°С — вода; ?tб=15°С; ?tм=13°С Литературные и табличные данные:
Плотность ацетона р=790 кгм3.
Плотность воды р=1000 кгм3.
Вязкость ацетона µ=0,25*10-3Па*с.
Число Pr=0.79.
Теплопроводность ацетона л=16,3 Вт/(мЧК).
Теплопроводность воды л=0,56 Вт/(мЧК).
Теплоемкость ацетона Cp=2160 Дж/(кг*К).
Теплоемкость воды Ср=4178 Дж/(кг*К).
Тепловой баланс:
Q= G1*(C1*t1н-C1*t1k)= G2*(C2*t2k-C2*t2н).
Из данного выражения можно найти расход обеспечивающей жидкости:
G2=8.2*10-3м3/с.
Теплота процесса:
Q=874.8 кВт.
Большее и меньшее изменение температур:
?tб=15°C; ?tм=13°C.
Среднее логарифмическое изменение температур:
?tcp=(?tб-?tм)/Ln (?tб/?tм).
Тогда:
?tcp=14.29°C.
Для теплоносителя, имеющего меньшее изменение температуры в теплообменнике, средняя температура находится как среднеарифметическая температур входа и выхода:
t'cp=27.5°C.
Для другого теплоносителя:
t''cp=41.79°C.
Находится предварительная величина площади поверхности теплопередачи:
Fпр=Q/(?tcp*Kпр).
Тогда:
Fпр= 306.1м2.
Число труб, приходящихся на один ход:
n/z=(4*G)/(р*dвн*Re*µ).
Тогда:
n/z=0.05.
По вычисленным данным выбираем приближенно стандартный теплообменник:
L=400мм; D=1000мм; d=20мм; z=1.
Вычисляем поправку на сложные схемы тока теплоносителей:
E?t=P*v2/(1-P)*Ln (2-P (2-v2))/(2-P (2+v2)).
При Р=0,325; R=1:
E?t= 0.96.
?t=0.96*14.29=13.7184°C.
Снова высчитываем значение площади, и выбираем стандартный теплообменник из литературных данных:
F=318м2.
Теплообменник:
D=1200мм; L=600мм; d=25мм; z=4 n=666.
Величина Nu определяется по формуле:
Nu=0.021*Re0.8*Pr0.43.
Тогда:
Nu=29.9.
Коэффициенты теплоотдачи трубного и межтрубного пространства рассчитываются по следующим формулам:
бмтр=C*(r*p2*л3*g)/(µ*l*?tкон);
бтр=(Nu*л)/dвн.
Тогда:
бмтр= 602,35 Вт/(м2*К);
бтр=669,76 Вт/(м2*К).
Коэффициент теплопередачи:
K=1/(1/бтр+Rтр+уст/лст+Rмтр+1/бмтр).
Тогда:
K=223,9.
Уточненная площадь поверхности составляет:
Fрасч=Q/(K*?t)=285м2.
Тогда:
Fрасч= 285 м2.
Запас площади поверхности теплообменника:
(318−285)/285=11,58%.
Следовательно, стандартный теплообменный аппарат выбран верно.
2. Гидравлический расчет
Ориентировочное значение условного прохода штуцера:
D=0.3*D0.86.
Скорость жидкости в трубах:
Wтр=G1/(Sтр*p).
Тогда:
D=0.231м.
Wтр= 0.048 м/с.
Коэффициент трения лтр зависит как от режима течения потока, так для турбулентного режима движения жидкости:
лтр=0,11*(10/Re+1.16*?/d)0.25.
Потеря давления на трение в трубах теплообменника:
?pтр=лтр*(L/dвн)*(pwтр)/2.
Скорость жидкости при прохождении штуцеров:
Wтр.ш.=(G*z)/(р*dтр2*p).
Тогда:
лтр=0.1914;
?pтр= 0,73 Па;
Wтр.ш.= 0,023 м/с.
Потеря давления:
?pi=жi*(p*wi2)/2.
Потеря давления при выходе потока из штуцера в распределительную камеру теплообменника:
?p1=0,0003 Па.
Потеря давления при входе потока из распределительной камеры в трубы теплообменника:
?p2= 0.0006 Па.
Потеря давления при выходе потока из труб:
?p3= 0,0017 Па.
Потеря давления при входе потока в штуцер теплообменника:
?p4= 0,0001 Па.
Общее сопротивление трубного пространства:
?p=?p1+z*(?p2+?pтр+?p3)+?p4.
Тогда:
?p=2,93 Па.
Так как? pдопустимое>?p, то можно считать, что теплообменник для охлаждения паров ацетона водой выбран верно.
3. Расчет и выбор насоса
В промышленности широко применяются лопастные (центробежные, осевые, вихревые) и обычные (поршневые, шестеренчатые, винтовые и др.) насосы. Выбор типоразмера насоса осуществляется по значениям расхода G перемещающейся жидкости и преодолеваемого напора H:
H=?p/(p*g)+Hz+hп.
Затрачиваемая на перемещение жидкости мощность:
Nп=G*g*H.
Мощность на валу насоса:
Nн=Nп/(зпер*зн).
Мощность двигателя:
Nдв=Nн/здв.
Мощность двигателя с запасом прочности:
N=Nдв*в.
Тогда:
H=4,2 м;
Nп=328 Вт;
Nн=364 Вт;
Nдв= 467.2 Вт;
N= 934.4.
По рассчитанным данным в литературе выбираем стандартный насос для обеспечивающей жидкости: ОГ6−15.
4. Механический расчет
Площади сечений трубок и кожуха:
Sт=р*(d-ут)*ут*n;
Sк= р*(D+ук)*ук.
Растягивающие и сжимающие усилия:
— Pт'=Pк'=(бт*(tт-tк)*E)/(1/sт+1/Sк);
tт=(б1*tср+б2*иср)/(б1+б2).
Тогда:
Sт=0.14м;
Sк=0.075м;
— Pт'=Pк'=2.34 мПа;
tт=34.2°С.
Давление в аппарате:
Pт''=р/4*n*d2*Pт;
Pк''=р/4*(D2-р*dв2)*Pк.
Тогда:
Pт''=0.085 МПа;
Pк''=0.17 МПа.
Напряжения, возникающие в трубках и кожухе теплообменника:
ут=(Pт'+Pт'')/Sт;
ук=(Pк'+Pк'')/Sк.
Тогда:
ут=17.3 мПа;
ук=33.4 мПа.
Так как урасч<�удоп, то механический расчет и выбор стандартного теплообменника можно считать верным.
5. Специальный вопрос
Задание: предложить и обосновать расчетами мероприятия по снижению гидравлического сопротивления Др на 10, (15, 20)%.
Для снижения гидравлического сопротивления в теплообменнике может быть достаточно сократить количество ходов теплообменника, если такое возможно. Наиболее подходящий теплообменный аппарат, указанный в литературе с меньшим числом ходов:
D=1000мм; L=600мм; n=718; d=25*2; F=338м2.
Но в данном случае запас площади поверхности нового теплообменника будет составлять:
(338−285)/285=18,5%
И как следствие данный теплообменник нежелателен для применения.
Также возможно понизить скорость подачи сырья:
?p= ж*(p*w2)/2.
Тогда:
?p= 0,5*(100*6,72)/2=1122,5 Па;
?p= 0,5*(100*62)/2=900 Па.
Но это скажется на количестве поданного сырья.
Также возможно увеличить сечение труб, что видно из формулы расчета:
?p=л*(L/dвн)*(pw)/2.
Но это также отобразиться на всем процессе теплообмена.
Если же величина? р значительно превышает допустимую, то возможно принять два параллельно включенных по данному теплоносителю теплообменника с тем, чтобы возможно было уменьшить расчетный? Р до величины не выше допустимой.
Вывод
теплообменник расчет гидравлический механический
В ходе приближённых вычислений площадь поверхности теплообмена составила F=306,1 м2 при коэффициенте теплопередачи К=223,9 Вт/(м2*К).
По каталогу был выбран кожухотрубчатый теплообменник с поверхностью теплообмена F=318 м2.
Запас площади теплообмена для нашего теплообменника составило 11,58%, что укладывается в допустимые значения.
Из гидравлического расчета следует, что ДРдоп?Дp, а это означает, что теплообменник выбран верно.
Механический расчет показал, что растягивающие усилия не превышают допустимых и, как следствие, выбранный теплообменник не нуждается в дополнительном подборе компенсатора.
1. Машины и аппараты химических производств: Учебник для вузов / И. И. Поникаров и др. — М.: Машиностроение, 1989. — 368с.
2. Машины и аппараты химических производств: Примеры и задачи. Учебное пособие для студентов вузов/ И. В. Доманский и др. Под общей ред. В. Н. Соколова. — Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние., 1982. — 364с.
3. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию / Г. С. Борисов и др. Под ред. Ю. И. Дытнерского, 2-е изд., перераб. и дополн. — М.: Химия, 1991. — 496с.
4. Учебное пособие «Курсовое проектирование по процессам и аппаратам химической технологии. Теплообменные аппараты и ректификационные установки» Ю. Я. Печенегов, Р. И. Кузьмина.