Расчет теплообменного аппарата

Курсовая работа

«Расчет теплообменного аппарата»

1. Введение

2. Цели и задачи работы

3. Расчёт нормализованного теплообменного аппарата:

Предварительный расчёт

Поверочный расчёт

4. Выводы

5. Список использованной литературы

Аппараты теплообменные кожухотрубчатые с неподвижными трубными решётками и кожухотрубчатые с температурным компенсатором на кожухе применяются в тех случаях, когда нет необходимости в механической очистке межтрубного пространства (очистка от осадка возможна только для трубного пространства). Поэтому в трубное пространство подают ту жидкость (воду или водные растворы), которая при нагревании или выпаривании может выделять нерастворимый осадок на стенках труб, а в межтрубное пространство подают чистую жидкость или конденсирующийся пар.

В кожухотрубчатом теплообменнике одна из обменивающихся теплом сред движется внутри труб (в трубном пространстве), а другая — в межтрубном пространстве.

Среды обычно направляются противотоком друг к другу. При этом нагреваемую среду направляют снизу вверх, а среду, отдающую тепло, — в противоположном направлении. Такое направление движения каждой среды совпадает с направлением, в котором стремится двигаться данная среда под влиянием изменения её плотности при нагревании или охлаждении.

В данной работе используется аппарат — кожухотрубчатый теплообменник, в межтрубном пространстве которого конденсируются пары органической жидкости, а в трубном пространстве циркулирует жидкий теплоноситель (вода).

Цели и задачи работы:

Рассчитать необходимую поверхность кожухотрубчатого теплообменника, в межтрубном пространстве которого при атмосферном давлении конденсируются пары органической жидкости в количестве G кг/час. Тепло конденсата отводится водой, имеющей начальную температуру tн.

Подобрать нормализованный теплообменный аппарат.

Дано:

Аппарат — кожухотрубчатый теплообменник;

Органическая жидкость — сероуглерод;

G = 15 000 кг/ч;

P = 1,03· 10 Па;

tн = 17 °C.

Расчёт нормализованного теплообменного аппарата

Примем конечную температуру охлаждающей воды, равной 40 °C.

Выпишем основные физико-химические параметры теплоносителей при давлении P = 1,013· 10 Па:

tконд = 46,3 С — температура конденсации сероуглерода;

rконд = 349,5· 10 Дж/кг — удельная теплота конденсации сероуглерода;

сконд. СУ=1290 кг/м — плотность конденсированного СS2 при 46,3 °С;

Своды=4,185· 103 Дж/(кг· К) — теплоёмкость воды;

Cконд=984,65 Дж/(кг· К) — теплоёмкость конденсата сероуглерода;

мводы =0,818· 10−3 Па· с;

своды =995 кг/м3;

Тогда температурная схема:

46,3 46,3

17 40

tб=29,3 tм=6,3

Дtcp °С; - средне-логарифмическая разность температур.

Предварительный расчёт:

1). Тепловые потери направлены на добавочное охлаждение конденсирующегося сероуглерода, поэтому нет необходимости в теплоизоляции аппарата. Примем потери тепла в окружающую среду, равными 4% от общей тепловой нагрузки на аппарат Q:

Qпот.=0,04· Q;

Тогда тепловая нагрузка аппарата (количество тепла, которое определяет поверхность теплообмена, и которое необходимо отводить при помощи воды):

Q=G· rконд.- Qпот=;

2). Расход охлаждающей воды определим из уравнения теплового баланса.

где:

G= кг/с;

CВ=4,185· 103 Дж/(кг· К) — теплоёмкость воды;

Тн=17+273=290 К; Тк=40+273=313 К.

кг/с;

3). Поскольку расчёт теплообменного аппарата — предварительный, то коэффициент теплопередачи можно принять, например, равным 500 (из допустимого интервала 300 800, при теплопередаче от конденсирующегося пара орг. жидкостей к воде, при вынужденном движении), тогда ориентировочное значение поверхности теплообмена будет равно:

м2;

Принимая число Рейнольдса равным 15 000 (что соответствует развитому турбулентному режиму течения), определим отношение числа труб к числу ходов n/z для конденсатора из труб 252 мм

.

4). Поверочный расчёт теплообменного аппарата

По справочной таблице (согласно ГОСТ 15 119–79 и ГОСТ 15 121–79) выбираем кожухотрубчатый испаритель, с поверхностью теплообмена и отношением n/z, близкими к рассчитанным предварительно.

Таким теплообменным аппаратом будет являться конденсатор с площадью теплообмена, равной 190 м2, и отношением n/z=404/4=101. Длина труб составляет 6 м, число ходов — 4, число труб — 404 шт, диаметр кожуха D=0,8 м.

Найдём действительное число Рейнольдса:

Рассчитаем точное значение коэффициента теплопередачи. Для этого необходимо знать коэффициенты теплоотдачи со стороны пара сероуглерода, и со стороны охлаждающей воды, а также значения термических сопротивлений стенки трубы и загрязнений её поверхности. Рассчитаем указанные величины:

;

Коэффициент теплоотдачи со стороны воды:

где

можно принять, поскольку нагревается вода в трубах;

Pr= - критерий Прандтля;

d=2,1· 10−2 м;

Тогда:

.

Для расчета коэффициента теплоотдачи пара, конденсирующегося на пучке горизонтальных труб в конденсаторе, воспользуемся следующей расчетной формулой:

где

при n>100;

л=0,1628 Вт/(м· К) — теплопроводность конденсата сероуглерода;

с=1290 кг/м — плотность конденсата СS2;

n=404 — число труб:

l=6 м — длина труб;

м=0,28· 10−3 Па· с — вязкость конденсата;

G=4,167 кг/с — массовый расход конденсирующегося пара;

Тогда:

Вт/(м2· К).

Сумма термических сопротивлений стенки и загрязнений равна:

м2· К/Вт, где

Вт/(м2· К) — тепловая проводимость загрязнений стенки трубы для воды среднего качества.

Вт/(м2· К) — тепловая проводимость загрязнений стенки трубы для паров органических жидкостей.

Тогда коэффициент теплопередачи будет равен:

.

Расчетная поверхность теплообмена составит:

м2.

В выбранном теплообменнике запас поверхности составляет:

Такой запас достаточен.

Выводы:

Для данного процесса (конденсации) подошёл кожухотрубчатый конденсатор с диаметром кожуха D = 800 мм, диаметром труб d = 25x2 мм, Числом ходов z = 4, общим числом труб n = 404 шт., поверхностью теплообмена F = 190 при длине труб Н = 6, 0 м. Запас поверхности теплообмена достаточен и составляет .

Расход охлаждающей воды = 14,52 кг/с. Масса конденсатора — не более 5360 кг.

1). Касаткин А. Г. «Основные процессы и аппараты химической технологии». М. Химия. 1971 г.

2). Павлов К. Ф., Романков П. Г., Носков А. А. «Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии». Л. Химия. 1981 г.

3). Борисов Г. С., Брыков В. П., Дытнерский Ю. И. «Основные процессы и аппараты химической технологии: пособие по проектированию». М. Химия. 1991 г.