Предварительный расчет теплообменника

1. Введение

2. Тепловое загрязнение окружающей среды

3. Основы теплопередачи

4. Описание продукта. Натрий едкий 30%

5. Практическая часть. Ориентировочный расчет

5.1 Технологическая схема установки сточной воды

5.2 Схема движения теплоносителей

5.3 Физико-химические характеристики теплоносителя

5.4 Тепловая нагрузка

5.5 Расчет расхода греющего пара

5.6 Расчет поверхности теплообменника

5.7 Выбор теплообменника

5.8 Определение режима движения

5.9 Теплоотдача при развитом турбулентном течении в трубах и каналах Вывод Приложение

1.

Введение

Существует неразрывная взаимосвязь и взаимозависимость условий обеспечения теплоэнергопотребления и загрязнения окружающей среды. Взаимодействие этих двух факторов жизнедеятельности человека и развитие производственных сил привлекает постепенное внимание к проблеме взаимодействия теплоэнергетики и окружающей среды.

На ранней стадии развития теплоэнергетики основным проявлением этого внимания был поиск в окружающей среде ресурсов, необходимых для обеспечения теплоэнергопотребления и стабильного теплоэнергоснабжения предприятий и жилых зданий. В дальнейшем границы проблемы охватили возможности более полного использования природных ресурсов путём изыскания и рационализации процессов и технологии, добычи и обогащения, переработки и сжигания топлива, а также совершенствования теплоэнергетических установок.

С ростом единичных мощностей блоков, теплоэнергетических станций и теплоэнергетических систем, удельных и суммарных уровней теплоэнергопотребления, возникла задача ограничения загрязняющих выбросов в воздушный и водный бассейны, а также более полного использования их естественной рассеивающей способности.

На современном этапе проблема взаимодействия теплоэнергетики и окружающей среды приобрела новые черты, распространяя своё влияние на огромные территории, большинство рек и озёр, громадные объемы атмосферы и гидросферы Земли.

Ещё более значительные масштабы развития теплоэнергопотребления в обозримом будущем предопределяют дальнейший интенсивный рост разнообразных воздействий на все компоненты окружающей среды в глобальных масштабах.

Важнейшей стороной проблемы взаимодействия теплоэнергетики и окружающей среды в новых условиях является всё более возрастающее обратное влияние определяющая роль условий окружающей среды в решении практических задач теплоэнергетики (выбор типа теплоэнергетических установок, дислокация предприятий, выбор единичных мощностей энергетического оборудования и многое другое). [3]

2. Тепловое загрязнение окружающей среды Тепловое загрязнение — нагревание воды, воздуха или почвы в результате попадания в окружающую среду тепловых отходов предприятий топливно-энергетического комплекса.

Развитие теплоэнергетики оказывает воздействие на различные компоненты природной среды: на атмосферу (потребление кислорода воздуха (О2), выбросы газов, паров, твёрдых частиц), на гидросферу (потребление воды, переброска стоков, создание новых водохранилищ, сбросы загрязненных и нагретых вод, жидких отходов), на литосферу (потребление ископаемых топлив, изменение водного баланса, изменение ландшафта, выбросы на поверхности и в недра твёрдых, жидких и газообразных токсичных веществ).

В настоящее время это воздействие приобретает глобальный характер, затрагивая все структурные компоненты нашей планеты. Важнейшими факторами функционирования окружающей среды является живое вещество биосферы, которое играет существенную роль в естественном круговороте почти всех веществ. Однако в большинстве процессов мы не можем проследить прямых воздействий теплоэнергетики на живое вещество, но должны учитывать это влияние в результате воздействия на отдельные компоненты окружающей среды и животный мир, где воздействие теплоэнергетики складывается со всеми другими антропогенными воздействиями.

Взаимодействие теплоэнергетики и окружающей среды происходит во всех стадиях иерархии топливно-энергетического комплекса: добыче, переработке, транспортировке, преобразование и использование тепловой энергии. Это взаимодействие обусловлено как способами добычи, переработки и транспортировки ресурсов, связанных с воздействием на структуру и ландшафты литосферы, потребление и загрязнение вод морей, озёр, рек, изменением баланса грунтовых вод, выделением теплоты, так и использованием тепловой энергии от источников. [1]

3. Основы теплопередачи

К тепловым процессам относятся процессы нагревания, охлаждения, испарения и конденсации. Аппаратура, предназначенная для проведения этих процессов, называется тепловой, или теплоиспользующей, аппаратурой.

Нагревание — это повышение температуры перерабатываемых материалов путем подвода к ним тепла.

Охлаждение — понижение температуры перерабатываемых материалов путем отвода от них тепла.

Испарение — перевод в парообразное состояние какой-либо жидкости путем подвода к ней тепла. Частным случаем испарения является весьма широко распространенный в химической технике процесс выпаривания, т. е. концентрирования при нагревании растворов твердых нелетучих веществ путем удалении жидкого летучего растворителя в виде паров.

Конденсация — сжижение паров какого-либо вещества путем отвода от них тепла.

В тепловых процессах взаимодействуют не менее чем дне среды с различными температурами, при этом тепло передается самопроизвольно (без затраты работы) только от среды с большей температурой к среде с меньшей температурой.

Среда с более высокой температурой, отдающая при теплообмене тепло, называется теплоносителем. Среда с более низкой температурой, воспринимающая при теплообмене тепло, называется холодильным агентом (хладоагентом).

В химической технике приходится осуществлять тепловые процессы при самых различных температурах — от близких к абсолютному нулю до нескольких тысяч градусов. Для каждого конкретного процесса, протекающего в определенном интервале температур, подбираются наиболее подходящие теплоносители и хладоагенты. Выбранные теплоносители и хладоагенты должны быть вполне химически стойкими в рабочих условиях процесса, не давать отложений на стенках аппаратов, не вызывать коррозии аппаратуры и легко транспортироваться по трубам.

Процессы переноса теплоты часто сопутствуют другим технологическим процессам: химического взаимодействия; разделения смесей и т. д.

Основной характеристикой любого теплового процесса является количество передаваемого в процессе тепла; от этой величины зависят размеры тепловой аппаратуры. Основным размером теплового аппарата является теплопередающая поверхность, или поверхность теплообмена. 4]

4. Описание продукта. Натрий едкий 30%

теплопередача пар натрий сточный Каустическая сода — самая распространённая щёлочь, объемы производства и потребления которой в год составляют до 57 миллионов.

Чистый гидроксид натрия NаОН представляет собой белую непрозрачную массу, жадно поглощающую из воздуха водяные пары и углекислый газ.

Существуют две модификации безводного едкого натраб-NаОН с ромбической формой кристаллов и в-NаОН с кристаллами кубической формы. С водой NаОН образует ряд кристаллогидратов: NaOH*H₂O, где n = 1, 2, 2,5, 3,5, 4, 5,25 и 7.

Температура плавления = 323 гр. С, температура кипения = 1403 гр. С.

Плотность = 2,02 г/см³.

Класс опасности Едкий натр представляет собой едкое вещество. При попадании на кожу вызывает химические ожоги, а при длительном воздействии может вызывать язвы и экземы. Сильно действует на слизистые оболочки. Опасно попадание едкого натра в глаза. Предельно допустимая концентрация аэрозоля едкого натра в воздухе рабочей зоны производственных помещений (ПДК) — 0,5 мг/м3.

Каустическая сода пожарои взрывобезопасна, относится к вредным веществам 2-го класса опасности по ГОСТ 12.1.007.

Упаковка, транспортировка, хранение Технический едкий натр транспортируют железнодорожным, автомобильным, водным транспортом в крытых транспортных средствах в упаковке и наливом в железнодорожных и автомобильных цистернах в соответствии с правилами перевозок грузов, действующими на данном виде транспорта. Железнодорожным транспортом продукт перевозят в бочках, барабанах, ящиках повагонно. Технический едкий натр, предназначенный для медицинской промышленности и производства искусственного волокна, по требованию потребителя транспортируют в железнодорожных цистернах с котлами из нержавеющей стали или гуммированными, принадлежащих потребителю или изготовителю.

Цистерны заполняют едким натром до полной вместимости с учетом объемного расширения продукта при возможном перепаде температур в пути следования. Перед заливом цистерн с остатком раствора едкого натра должен быть проведен анализ остатка на соответствие требованиям настоящего стандарта. Если анализ остатка соответствует требованиям настоящего стандарта, то цистерну заполняют продуктом; если анализ остатка не соответствует требованиям настоящего стандарта, то остаток удаляют, а цистерну промывают.

Технический едкий натр, упакованный в специализированные контейнеры, транспортируют только автомобильным транспортом.

Продукт, упакованный в бочки, барабаны и ящики, транспортируют в пакетированном виде по ГОСТ 26 663, ГОСТ 24 957, ГОСТ 21 650, ГОСТ 21 140, на поддонах по ГОСТ 9557 и ГОСТ 26 381.

Раствор технического едкого натра хранят в закрытых емкостях из материала, стойкого к щелочам.

Применение Едкий натр находит широкое применение в самых разнообразных отраслях промышленности и для бытовых нужд.

В химической и нефтехимической промышленности (на их долю приходится около 57% суммарного объема российского потребления NaOH) — для нейтрализации кислот и кислотных оксидов, как реагент или катализатор в химических реакциях, в химическом анализе для титрования, для травления алюминия и в производстве чистых металлов, в нефтепереработке — для производства масел.

Каустик применяется в целлюлозно-бумажной промышленности для делигнификации (сульфатный процесс) целлюлозы, в производстве бумаги, картона, искусственных волокон, древесно-волоконных плит.,

Для омыления жиров при производстве мыла, шампуня и других моющих средств.

В производстве биодизельного топлива, получаемого из растительных масел и используемого для замены обычного дизельного топлива.

В качестве агента для растворения засоров канализационных труб, в виде сухих гранул или в составе гелей. Гидроксид натрия дезагрегирует засор и способствует лёгкому продвижению его далее по трубе.

Дегазации и нейтрализации отравляющих веществ, в том числе зарина, в ребризерах (изолирующих дыхательных аппаратах (ИДА), для очистки выдыхаемого воздуха от углекислого газа).

В пищевой промышленности: для мытья и очистки фруктов и овощей от кожицы, в производстве шоколада и какао, напитков, мороженого, окрашивания карамели, для размягчения маслин и производстве хлебобулочных изделий. Зарегистрирован в качестве пищевой добавки E524.

В цветной металлургии, энергетике, в текстильной промышленности, для регенерации резины. 5]

5. Практическая часть. Ориентировочный расчет

5.1 Технологическая схема установки сточной воды Рисунок 1 — Технологическая схема

5.2 Схема движения теплоносителей

25^оС NaOH 85^oС

110^оС пар 110^оС

5.3 Физико-химические характеристики теплоносителя Раствор NaOH (30%)

с=1310 ;

м= 5,5*10^-3 Па*с;

с = 0,768; с=0,768*4190=3217,92 ;

л= 0,470; л= 0,470*1,16=0,54 ;

Греющий пар р=1,4 атм;

t_пара= 110^оС;

r= 2230,0 ;

с= 0,826 ;

м_n= 12,46*10⁶ Па*с;

Конденсат

t_конд=t_пара=110^оС;

с= 951,0 ;

м= 259*10⁶ Па*с;

л=68,5*10² ;

5.4 Тепловая нагрузка

Q_полез=G*c (t_к-t_н) — полная тепловая нагрузка;

Q_полез=*3217,92*(85−25)=5 361 698,3 Дж;

Полное тепло с учетом тепловых потерь

Q_полн=1,1 Q_полез;

Q_полн=1,1*5 361 698,3=5 897 868,13 Дж;

5.5 Расчет расхода греющего пара

D= =2404,34 ;

5.6 Расчет поверхности теплообменника

?t_больш=t_конд-t_н=110−25=85^оС;

?t_меншь=t_пар-t_конд=110−85=25⁰С;

=3,4;

?t_ср= = 50^oC;

F — поверхность теплопередачи;

F= =235,9 м²;

K — коэффициент теплопередачи от пара конденсата к воде;

Принимаем К=500 ;

5.7 Выбор теплообменника Длина трубы Н — 6 м;

D кожуха — 800 мм= 0,8 м;

d труб — 20*2 мм=0,002 м;

d внутренний — 16 мм= 0,016 м;

Число ходов — 2;

Общее число труб n — 690 шт.;

Площадь сечения потолка 10² м²:

· в вырезе перехода — 6,9;

· между перегородками — 7,0;

Площадь сечения одного хода по трубам — 6,9 м²;

Поверхность теплообмена — 260 м²;

5.8 Определение режима движения

K= ;

б₁ — коэффициент теплоотдачи от стенки к раствору;

При расчете б₁:

Re= ;

= ;

f= = 0, 31 м²;

V= = = 0, 21 ;

= =1 ;

Re= =13 810, 9;

Re > 10 000 — режим движения турбулентный;

5.9 Теплоотдача при развитом турбулентном течении в трубах и каналах

Nu=0,012*е_i * Re^0,8*Pr^0,43*()^0,29;

= = =32,41;

е_i =1;

() =1;

Nu=0,021*1*13 810,9^0,8*32,41^0,43*1^0,29=192,19;

Nu=

= = =655, 84 ;

Теплопередача от конденсата к стенке трубы зависит от режима движения пленки конденсата по наружной поверхности трубы.

Re=;

Г — расход конденсата, который образуется на 1 м² поверхности теплообмена.

Г= = =0,053;

Re= =818;

1000 < Re < 30 — ламинарный режим движения пленки;

=0,756* Re^-0,22;

=0,756*(818)^-0,22;

б₂[0,063*10^-12]^0,33=0,166*68,5*10^-2;

б₂*0,4=0,11

б₂= =2750 ;

K= ;

K= ;

R₁=0.5*10^-4 ;

R₂=5,4*10^-4 ;

д=2 мм= 0,002 м;

л= 15,08 ;

K= = 666,66;

К=666,66;

Вывод Подобранный по предварительному расчету теплообменник отвечает условиям (К > 500) и подходит для нашей установки.

Список использованных источников

1. Мавривцев В. В. Основы экологии: Учебник/ В. В. Маривцев — Высш. школа, 2003.-416с.;

2. [www.wikipedia.ru] 23.03.2013;

3. [www.yaneuch.ru] 23.03.2013;

4. [] 23.03.2013;

5. [www.himtrade.ru] 23.03.2013;

Приложение Схема теплообменника, А — вход в трубную решетку;

Б — выход из межтрубного пространства;

В — вход в межтрубное пространство;

Д — выход их трубной решетки;