Учебная работа. Расчет и проектирование теплообменного аппарата

1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд (Пока оценок нет)
Загрузка...

Расчет и проектирование теплообменного аппарата

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

Расчет и проектирование теплообменного аппарата

Задание на проектирование

рассчитать теплообменный аппарат на основе следующих данных:

. Нагреваемая среда

а) состав — раствор 23% хлорида кальция;

б) начальная температура — -19 оС;

в) конечная температура — -16 оС;

г) рабочее давление 3 атм

. Охлаждаемая среда

а) состав — диэтиловый эфир;

б) начальная температура — 31 оС;

в) конечная температура — -11 оС;

г) рабочее давление 3 атм

д) производительность — 2,5 кг/с

Введение

теплообменник змеевиковый излучение пластинчатый

В химической промышленности широко распространены тепловые процессы — нагревание и охлаждение жидкостей и газов и конденсация паров, которые проводятся в теплообменных аппаратах. Теплообменные аппараты или просто теплообменники используются практически во всех отраслях промышленности. Их основная задача обеспечить температурный режим технологических процессов.

При проектировании теплообменников тепловые расчеты проводят совместно с гидравлическими и конструктивными и на основе этих расчетов подбирают наиболее подходящие стандартные или нормализованные конструкции.

При тепловом расчете теплообменника при известных расходах, начальной и конечной температурах теплоносителей определяют:

тепловую нагрузку и расход теплоносителя;

среднюю разность температур и средние температуры теплоносителей;

коэффициент теплопередачи;

поверхность теплообмена.

Конструктивный расчет сводится к определению к определению числа труб аппарата.

В курсовом проекте будет произведен расчет теплообменников двух типов: кожухотрубчатого и «труба в трубе». Из двух аппаратов будет выбран оптимальный вариант, обеспечивающий выполнение требований проведения процесса с учетом конструктивных, эксплуатационных, экономических, энергетических параметров.

На основе теоретических расчетов будет выполнен чертеж общего вида выбранного теплообменника со спецификацией.

1. Теоретическая часть

.1 процесс теплопередачи

Общие положения

Перенос энергии в форме тепла, происходящий между телами, имеющими различную температуру, называется теплообменом. Движущей силой любого процесса теплообмена является разность температур более нагретого и менее нагретого тел, при наличии которой тепло самопроизвольно, в соответствии со вторым законом термодинамики, переходит от более нагретого к менее нагретому телу. Теплообмен между телами представляет собой обмен энергией между молекулами, атомами и свободными электронами; в результате теплообмена интенсивность движения частиц более нагретого тела снижается, а менее нагретого — возрастает.

Тела, участвующие в теплообмене, называются теплоносителями.

Теплопередача — наука о процессах распространения тепла. законы теплопередачи лежат в основе тепловых процессов — нагревания, охлаждения, конденсации паров, выпаривания — и имеют большое химических процессов, протекающих с подводом иле отводом тепла.

Различают три принципиально различных элементарных способа распространения тепла: теплопроводность, конвекцию и тепловое излучение.

Теплопроводностьпредставляет собой перенос тепла вследствие беспорядочного (теплового) движения микрочастиц, непосредственно соприкасающихся друг с другом. Это движение может быть либо движением самих молекул (газы, капельные жидкости), либо колебанием атомов (в кристаллической решетке твердых тел), или диффузией свободных электронов (в металлах). В твердых телах теплопроводность является обычно основным видом распространения тепла.

Конвекцией называется перенос тепла вследствие движения и перемешивания макроскопических объемов газа или жидкости.

Перенос тепла возможен в условиях естественной, или свободной, конвекции, обусловленной разностью плотностей в различных точках объема жидкости (газа), возникающей вследствие разности температур в этих точках или в условиях вынужденной конвекции при принудительном движении всего объема жидкости, например в случае перемешивания ее мешалкой.

тепловое излучение — это процесс распространения электромагнитных колебаний с различной длиной волн, обусловленный тепловым движением атомов или молекул излучающего тела. Все тела способны излучать энергию, которая поглощается другими телами и снова превращается в тепло. Таким образом, осуществляется лучистый теплообмен; он складывается из процессов лучеиспускания и лучепоглощения.

В реальных условиях тепло передается не каким-либо одним из указанных выше способов, а комбинированным путем. Например, при теплообмене между твердой стенкой и газовой средой тепло передается одновременно конвекцией, теплопроводностью и излучением. Перенос тепла от стенки к газообразной (жидкой) среде или в обратном направлении называется теплоотдачей.

Еще более сложным является процесс передачи тепла от более нагретой к менее нагретой жидкости (газу) через разделяющую их поверхность или твердую стенку. Этот процесс носит название теплопередачи.

В процессе теплопередачи переносу тепла конвекцией сопутствуют теплопроводность и теплообмен излучением. Однако для конкретных условий преобладающим обычно является один из видов распространения тепла.

В непрерывно действующих аппаратах температуры в различных точках не изменяются во времени и протекающие процессы теплообмена являются установившимися(стационарными). В периодически действующих аппаратах, где температуры меняются во времени (при нагревании или охлаждении), осуществляются неустановившиеся, или нестационарные, процессы теплообмена.

Тепловой поток (тепловая нагрузка аппарата, т.е. количества тепла, которое должно быть передано за 1 сек или за 1 ч от одного теплоносителя к другому). вычисляется путем составления и решения тепловых балансов.

Тепло, отдаваемое более нагретым теплоносителем , затрачивается на нагрев более холодного теплоносителя , и некоторая относительно небольшая часть тепла расходуется на компенсацию потерь тепла аппаратом в окружающую среду. Величина в теплообменных аппаратах, покрытых тепловой изоляцией, не превышает 3 — 5% полезно используемого тепла. Поэтому в расчетах ею можно пренебречь. Тогда тепловой баланс выразится равенством

== (1)

Пусть массовый расход более нагретого теплоносителя составляет, его энтальпия на входе в аппарат и на выходе из аппарата. Соответственно расход более холодного теплоносителя, его начальная энтальпия и конечная энтальпия. Тогда уравнение теплового баланса

=(-)=(-) (2)

Если теплообмен протекает без изменения агрегатного состояния теплоносителей, то энтальпии последних равны произведению теплоемкости на температуру.

= с1нt1н = с1кt1к

= с2нt2н = с2кt2к

Величины с1н и с1кпредставляют собой средние удельные теплоемкости более нагретого теплоносителя в пределах изменения температур от 0 доt1н (на входе в аппарат) и до t1к (на выходе из аппарата) соответственно. Величины с2ни с2к — аналогично для более холодного теплоносителя.

Если теплообмен протекает при изменении агрегатного состояния теплоносителя (конденсация пара, испарение жидкости и др.) или в процессе теплообмена протекают химические реакции, сопровождаемые тепловыми эффектами, то в тепловом балансе должно быть учтено тепло, выделяющееся при физическом или химическом превращении.

Если теплоемкости обменивающихся теплом жидкостей (с1и с2) можно считать не зависящими от температуры, то уравнение теплового баланса (2) принимает вид

= с1 (t1н — t1к)=с2(t2к — t2н) (3)

Основное уравнение теплопередачи

Общая кинетическая зависимость для процессов теплопередачи, выражающая связь между тепловым потоком ‘ и поверхностью теплообмена F, представляет собой основное уравнение теплопередачи:

‘= КFДtсрф (4)

где К — коэффициент теплопередачи, определяющий среднюю скорость передачи тепла вдоль всей поверхности теплообмена; Дtср — средняя разность температур между теплоносителями, определяющая среднюю движущую силу процесса теплопередачи, или температурный напор;ф — время.

Согласно уравнению (4), количество тепла, передаваемое от более нагретого к более холодному теплоносителю, пропорционально поверхности теплообмена F, среднему температурному напору Дtср и времени ф.

Таким образом, коэффициент теплопередачи показывает, какое количество тепла (в дж) переходит в 1 сек от более нагретого к более холодному теплоносителю через поверхность теплообмена 1 мг при средней разности температур между теплоносителями, равной 1 град.

Передача тепла теплопроводностью

Основным законом передачи тепла теплопроводностью является законпосредством теплопроводности через элемент поверхности dF, перпендикулярный тепловому потоку, за время dф прямо пропорционально температурному градиенту, поверхности dF и времени dф:

dQ= — лdFdф (5)

или количество тепла, передаваемое через единицу поверхности в единицу времени

q== — л (6)

Величина q называется плотностью теплового потока.

Знак минус, стоящий перед правой частью уравнений (5) и (6), указывает на то, что тепло перемещается в сторону падения температуры.

Если записать,

(7)

(8)

получаем (9)

температура внутри плоской стенки падает по толщине стенки д в направлении теплоперехода по закону прямой линии.

Коэффициент пропорциональности лназывается коэффициентом теплопроводности. Согласно уравнению (5)

таким образом, коэффициент теплопроводности лпоказывает, какое количество тепла проходит вследствие теплопроводности в единицу времени через единицу поверхности теплообмена при падении температуры на 1 град на единицу длины нормали к изотермической поверхности.

Величина л, характеризующая способность тела проводить тепло путем теплопроводности, зависит от природы вещества, его структуры, температуры и некоторых других факторов. При обычных температурах и давлениях лучшими проводниками тепла являются металлы и худшими — газы.

тепловое излучение

Длины волн теплового излучения лежат в основном в невидимой (инфракрасной) части спектра и имеют длину 0,8-40 мк. Они отличаются отвидимых световых лучей только длиной (длина световых волн 0,4 — 1,8 мкм).

Твердые тела обладают сплошным спектром излучения: они пособны испускать волны всех длин при любой температуре. Однако интенсивность теплового излучения возрастает с повышением температуры тела, и при высоких температурах (примерно при t> 600°С) лучистый теплообмен между твердыми телами и газами приобретает доминирующее значение.

тепловое и световое излучения имеют одинаковую природу и поэтому характеризуются общими законами: лучистая энергия распространяется в однородной и изотропной среде прямолинейно. Поток лучей, испускаемый нагретым телом, попадая на поверхность другого, лучеиспускающего тела, частично поглощается, частично отражается (при этом угол падения равен углу отражения) и частично проходит сквозь тело без изменений.

Пусть Qл — общая энергия падающих на тело лучей, Qпогл — энергия, поглощенная телом, Qотр — энергия, отраженная от поверхности тела, и Qпр — энергия лучей, проходящих сквозь тело без изменений. Тогда баланс составит:

Qл =Qпогл + Qотр + Qпр (10)

При Qпогл /Qл = 1 исоответственно при Qотр /Qл= 0 и Qпр /Qл= 0 тело полностью поглощает все падающие на него лучи. Такие тела называются абсолютно черными.

При Qотр / Qл = 1 иQпогл / Qл= 0, Qпр/ Qл = 0 тело отражает все падающие на него лучи. Эти тела называются абсолютно белыми.

При Qпр /Qл = 1 и Qпогл /Qл =0, Qотр/Qл= 0) тело пропускает все падающие лучи. Такие тела называются абсолютно прозрачными, или диатермичными.

абсолютно черных, абсолютно белых или абсолютно прозрачных тел реально не существует. Все тела в природе, которые поглощают, отражают и пропускают ту или иную часть падающих на них лучей, называются серыми телами. Из реальных тел к абсолютно черному особенно приближается сажа, которая поглощает 90-96% всех лучей. наиболее полно отражают падающие на них лучи твердые тела со светлой полированной поверхностью, большинство твердых тел относится к числу практически непрозрачных зато почти все газы, исключая некоторые многоатомные газы, являются прозрачными, или диатермичными.

Количество энергии, излучаемое телом единицу времени во всем интервале длин волн единицей поверхности Fтела, характеризует лучеиспускательную способностьЕ тела: (11)

Лучеиспускательная способность, отнесенная к интервалу длин волн dл, называется интенсивностью излучения

(12)

Лучеиспускательную способность абсолютно черного тела:

Е0 = К0Т4(13)

где Т — абсолютная температура поверхности тела; Ко — 5,67-108 вт/(м2К4) — константа лучеиспускания абсолютно черного тела.

Согласно закону Стефана-Больцмана, лучеиспускательная способность абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры его поверхности.

Количество тепла, излучаемого телом в окружающую среду в единицу времени, пропорционально его температуре в четвертой степени

Q=уF Т4 (14)

где у — коэффициент излучения, F — поверхность тела.

Лучепоглощательная способность тела(А) — отношение поглощенного тепла лучистой энергии к общему количеству падающему на тело.

Закон Кирхгофа: отношение лучеиспускательной способности любого тела к его. лучепоглощательной способности при той же температуре является величиной постоянной, равной лучеиспускательной способности абсолютно черного тела.

E/A=const (15)

Привзаимном излучение двух твердых тел количество тепла Qл, передаваемого посредством излучения от более нагретого твердого тела, имеющего температуру T1, к менее нагретому телу с температурой T2, определяется по уравнению

(16)

— коэффициент взаимного излучения (17)

Передача тепла конвекцией (конвективный теплообмен)

Перенос тепла конвекцией тем интенсивнее, чем более турбулентно движется вся масса жидкости и чем энергичней осуществляется перемешивание ее частиц. таким образом, конвекция связана с механическим переносом тепла и сильно зависит от гидродинамических условий течения жидкости.

В ядре потока перенос тепла осуществляется одновременно теплопроводностью и конвекцией, причем совместный перенос тепла этими способами называется конвективным теплообменом (конвективнойтеплоотдачей). По мере приближения к стенке интенсивность теплоотдачи падает (что вблизи стенки образуется тепловой пограничный слой).

Теплоотдача — переход тепла от среды к стенке и наоборот.

Закон теплоотдачи, или закон охлаждения Ньютона

(18)

Согласно этому уравнению, количество тепла dQ, отдаваемое за время dф поверхностью стенки dF, имеющей температуру tст, жидкости с температурой tж, прямо пропорционально dF и разности температурtст — tж.

Применительно к поверхности теплообмена всего аппарата Fдля непрерывного процесса теплоотдачи уравнение (18) принимает вид

(19)

Коэффициент пропорциональности а в уравнениях (18) и (19) называетсякоэффициентомтеплоотдачи, характеризующий интенсивность переноса тепла между поверхностью тела и окружающей средой.

Коэффициент теплоотдачи выражается следующим образом

(20)

Таким образом, коэффициент теплоотдачи а показывает, какое количество тепла передается от 1 мг поверхности стенки к жидкости (или от жидкости к 1 мг поверхности стенки) в течение 1 сек при разности температур между стенкой и жидкостью 1 град.

Коэффициент теплоотдачи зависит от следующих факторов: скорости жидкости w, ее плотности р и вязкости м, т.е. переменных, определяющих режим течения жидкости; тепловых свойств жидкости (удельной теплоемкости ср, теплопроводности л), а также коэффициента объемного расширения в; геометрических параметров — формы и определяющих размеров стенки (для труб — их диаметр dи длина L), а также шероховатости е стенки. Таким образом

а=f (w, р, м, л, ср, в, d, L, е) (21)

Теплопередача (при постоянных температурах теплоносителей)

Определим количество тепла, которое передается в единицу времени от более нагретой среды (теплоносителя с температурой t1к менее нагретой среде (теплоносителю с температурой t2) через разделяющую их стенку.

Стенка имеет толщину д, коэффициент теплопроводности которой равен л. Рабочая поверхность стенки F.

Процесс теплообмена установившийся. Следовательно, от более нагретой среды к стенке, сквозь стенку и от стенки к менее нагретой среде за одинаковое время передается одно и то же количество тепла.

количество тепла, передаваемого за время ф от более нагретой среды к стенке, по уравнению теплоотдачи составляет:

(22)

количество тепла, проходящего путем теплопроводности через стенку, согласно уравнению (9)

(23)

Количество тепла, отдаваемого стенкой менее нагретой среде:

(24)

Суммарно получаем (25)

К — это коэффициент теплопередачи. Он показывает, какое количество тепла переходит в единицу времени от более нагретого к менее нагретому теплоносителю через разделяющую их стенку поверхностью 1м2 при разности температур между теплоносителями 1 град.

(26)

Теплопередача при переменных температурах зависит от взаимного направления движения теплоносителей. В непрерывных процессах теплообмена возможны следующие варианты направления движения жидкостей друг относительно друга вдоль разделяющей стенки:

) параллельный ток, или прямоток, при котором теплоносители движутся в одном и том же направлении; (рис. 1, а)

) противоток, при котором теплоносители движутся в противоположных направлениях; (рис. 1, б)

) перекрестный ток, при котором теплоносители движутся взаимно перпендикулярно друг другу;

) смешанный ток, при котором один из теплоносителей движется в одном направлении, а другой — как прямотоком, так и противотоком.

а б

Рис. 1. Изменение температуры теплоносителей: а — при прямотоке, б — при противотоке

Средняя движущая сила, или температурный напор, представляет собой логарифмическую разность температур

При отношении разности температур теплоносителей на концах теплообменника можно определить средний температурный напор как среднеарифметическую величину

(28)

Уравнение теплопередачи имеет вид (29)

Нагревающие агенты

Нагревание водяным паром. Одним из наиболее широко применяемых греющих агентов является насыщенный водяной пар. Это объясняется существенными достоинствами его как теплоносителя. В результате конденсации пара получают большие количества тепла при относительно небольшом расходе пара, так как теплота конденсации его составляет приблизительно 2,26-106дж/кг при давлении 1 атм. Вследствие высоких коэффициентов теплоотдачи от конденсирующегося пара сопротивление переносу тепла со стороны пара мало. Это позволяет проводить процесс нагревания при малой поверхности теплообмена.

важным достоинством насыщенного пара является постоянство температуры его конденсации (при данном давлении), что дает возможность точно поддерживать температуру нагрева, а также в случае необходимости регулировать ее, изменяя давление греющего пара. При использовании тепла парового конденсата к.п.д. нагревательных паровых устройств довольно высок. Пар удовлетворяет также другим требованиям, предъявляемым к теплоносителям (доступность, пожаробезопасность и др.).

основной недостаток водяного пара — значительное возрастание давления с повышением температуры. Вследствие этого температуры, до которой можно производить нагревание насыщенным водяным паром, обычно не превышают 180-190°С, что соответствует давлению пара 10-12 атм.

Нагревание глухим паром. наиболее распространено нагревание глухим паром, передающим тепло через стенку теплообменного аппарата. Пар, соприкасаясь с более холодной стенкой, конденсируется на ней, и пленка конденсата стекает по поверхности стенки. Для того, чтобы облегчить удаление конденсата, пар вводят в верхнюю часть аппарата, а конденсат отводят из его нижней части.

Нагревание острым паром. В тех случаях, когда допустимо смешение нагреваемой среды с паровым конденсатом, используют нагревание острым паром. Если одновременно с нагреванием жидкость необходимо перемешать, то ввод острого пара осуществляют через барботеры.

Нагревание горячей водой. горячая вода в качестве нагревающего агента обладает определенными недостатками по сравнению с насыщенным водяным паром. Коэффициенты теплоотдачи от горячей воды, как и от любой другой жидкости, ниже, чем коэффициенты теплоотдачи от конденсирующегося пара. кроме того, температура горячей воды снижается вдоль поверхности теплообмена, что ухудшает равномерность нагрева и затрудняет его регулирование. Она применяется обычно для нагрева до температур не более 100°С. Для температур выше 100°С в качестве теплоносителя используют воду, находящуюся под избыточным давлением.

Нагревание топочными газами. Дымовые, или топочные, газы относятся к числу наиболее давно применяемых нагревательных агентов. Позволяют осуществлять нагревание до 1000-1100°С при незначительном избыточном давлении в теплообменнике. Наиболее существенными недостатками топочных газов являются: неравномерность нагрева, обусловленная охлаждением газа в процессе теплообмена, трудность регулирования температуры обогрева, низкие коэффициенты теплоотдачи от газа к стенке, возможность загрязнения нагреваемых материалов продуктами неполного сгорания топлива (при газами), возможен перегрев.

Нагревание высокотемпературными теплоносителями. Теплоносители обычно получают тепло от топочных газов или электрического тока, передают его нагреваемому материалу и являются промежуточными теплоносителями. Они обеспечивают равномерность обогрева и безопасные условия работы.

а) Нагревание перегретой водой. В качестве нагревательного агента перегретая вода используется при давлениях, достигающих критического 225 атм, которому соответствует температура 374°С. Поэтому возможно нагревание материалов до 350°С. Применением высоких давлений усложняет и удорожает нагревательную установку и повышает стоимость ее эксплуатации.

б) Нагревание минеральными маслами. Минеральные масла являются одним из старейших промежуточных теплоносителей, используемых для равномерного нагревания различных продуктов. Применяют цилиндровое, компрессорное, цилиндровое тяжелое масла. Верхний предел нагревания маслами 250-300°С. Нагрев с помощью минеральных масел производят либо помещая теплоноситель использующий аппарат с рубашкой, заполненной маслом, в печь, в которой тепло передается маслу топочными газами, либо устанавливая электронагреватели внутри масляной рубашки.

Масла являются наиболее дешевым органическим высокотемпературными теплоносителем. Однако им присущи существенные недостатки: относительно невысокие предельные температуры применения, низкие коэффициенты теплоотдачи.

в) Нагревание высококипящими органическими жидкостями и их парами. К группе высокотемпературных органических теплоносителей относятся: глицерин, этиленгликоль, нафталин и его замещенные, а также некоторые производные ароматических углеводородов (дифенил, дифениловый эфир, дифенилметан и др.), продукты хлорирования дифенила и полифенолов (арохлоры), дифенильная смесь.

г) Нагревание расплавленными солями. Из различных неорганических солей и их сплавов, применяемых для нагревания до высоких температур, наибольшее практическое значение имеет нитрит — нитратная смесь (40% азотистокислого натрия, 7% азотнокислого натрия, 53% азотнокислого калия). Эта смесь применяется для нагрева при атмосферном давлении до температур 500-540 оС. Смесь практически не вызывает коррозии углеродистых сталей при температурах не выше приблизительно 450°С. Нитрит-нитратная смесь является сильным окисляющим агентом. Поэтому не допустим ее контакт при высоких температурах с веществами органического происхождения, а также со стружкой и опилками черных и некоторых цветных металлов (алюминий, магний).

д) Нагревание ртутью и жидкими металлами. Для нагрева до температур 400-800°С и выше в качестве высокотемпературных теплоносителей могут быть эффективно использованы ртуть, а также натрий, калин, свинец и другие легкоплавкие металлы и их сплавы.

Нагревание электрическим током (электрическим сопротивлением, индукционное и высокочастотное нагревание). Нагрев можно производить в очень широком диапазоне температур, точно поддерживая и легко регулируя температуру нагрева в соответствии с заданным технологическим режимом. Устройства просты, компактны и удобны для обслуживания.

1.2 Типы теплообменников

Теплообменникаминазывают аппараты, предназначенные для передачи тепла от одних веществ кдругим.

В зависимости от способа передачи тепла различают две основные группы теплообменников:

) поверхностные теплообменники, в которых перенос тепла между обменивающимися теплом средами происходит через разделяющую их поверхность теплообмена — глухую стенку;

) теплообменники смешения, в которых тепло передается от одной среды к другой при их непосредственном соприкосновении.

значительно реже применяются в химической промышленности регенеративные теплообменники, в которых нагрев жидких сред происходит за счет их соприкосновения с ранее нагретыми твердыми телами — насадкой, заполняющей аппарат, периодически нагреваемой другим теплоносителем.

Выбор материала диктуется в основном его коррозионной стойкостью и теплопроводностью. Конструкции теплообменников должны отличаться простотой, удобством монтажа и ремонта. В ряде случаев конструкция теплообменника должна обеспечивать возможно меньшее загрязнение поверхности теплообмена и быть легко доступной для осмотра и очистки.

Трубчатые теплообменники

) Кожухотрубчатые теплообменники. Эти теплообменники относятся к числу наиболее часто применяемых поверхностных теплообменников. На рис. 2, а показан кожухотрубчатый теплообменник жесткой конструкции, который состоит из корпуса, или кожуха /, и приваренных к нему трубных решеток 2. В трубных решетках закреплен пучок труб 3. Ктрубным решеткам крепятся крышки 4.

Рис. 2. Кожухотрубчатые одноходовой(а) и многоходовой(б) теплообменники

В кожухотрубчатом теплообменнике одна из обменивающихся теплом сред движется внутри труб /(в трубном пространстве), а другая // — в межтрубном пространстве. Среды обычно направляют противотоком друг к другу. При этом нагреваемую среду направляют снизу вверх, а среду, отдающую тепло, — противоположном направлении, такое направление движения каждой среды совпадает с направлением, в котором стремится двигаться данная среда под влиянием изменения еёплотности при нагревании или охлаждении. Скорости движения сред и коэффициенты теплоотдачи сравнительно невелики.

В многоходовом теплообменнике (рис. 2, б) с помощью поперечных перегородок 5, установленных в крышках теплообменника, трубы разделены на секции, или ходы. Скорость движения повышается, и увеличивается интенсивность теплообмена.

Теплообменники могут быть вертикальными и горизонтальными. Для уменьшения температурных деформаций используют теплообменники с компенсирующими устройствами: с линзовым компенсатором (рис. 3, а), с плавающей головкой (рис. 3, б), с U — образными трубами (рис. 3, в).

Рис. 3. Кожухотрубчатые теплообменники с компенсирующими устройствами

) Элементные теплообменники. используют для повышения скорости движения среды в межтрубном пространстве. каждый элемент — это простейший кожухотрубчатый теплообменник. По сравнению с многоходовыми кожухотрубчатыми теплообменниками элементные менее компактны и более дороги из-за увеличения числа дорогостоящих элементов аппарата-трубных решеток, фланцевых соединений, компенсаторов.

Рис. 4. Теплообменник типа «труба в трубе»: 1 — внутренние трубы, 2 — наружные трубы, 3 — калач, 4 — патрубок.

) Двухтрубчатые теплообменники. Теплообменники типа «труба в трубе» (рис. 4) состоят из нескольких последовательно соединенных трубчатых элементов. Один теплоноситель движется по трубам, другой — по кольцевому зазору между внешней 2 и внутренней 1 трубами.

преимущества двухтрубного теплообменника: высокий коэффициент теплоотдачи, пригодность для нагрева или охлаждения сред при высоком давлении, простота изготовления, монтажа и обслуживания. Недостатки двухтрубного теплообменника — громоздкость, высокая стоимость вследствие большого расхода металла на наружные трубы, не участвующие в теплообмене, сложность очистки кольцевого пространства.

Змеевиковые теплообменники

) Погружные теплообменники. В ПТ жидкость, пар или газ движутся по спиральному змеевику 1, который погружен в жидкость, находящуюся в корпусе 2 (рис. 5, а). Работают при небольших тепловых нагрузках.

) Оросительные теплообменники. Представляет собой змеевики 1 из размещенных друг над другом труб, соединенных калачами 2. Сверху змеевики орошаются водой из желоба 3, отработанная вода отводится из поддона 4 (рис. 5, б). применяют в качестве холодильников и конденсаторов. Работает при небольших тепловых нагрузках.

а б

Рис. 5. Погружной(а) и оросительный(б) теплообменники

Пластинчатые теплообменники

В пластинчатом теплообменнике (рис. 6) поверхность теплообмена образуется гофрированными параллельными пластинами. жидкости, между которыми происходит теплообмен, движутся в каналах между смежными пластинами, омывая противоположные боковые стороны каждой пластины. Теплообменники легко разбираются и очищаются от загрязнений.

Рис. 6. Схема пластинчатого теплообменника

Оребренные теплообменники

Трубы с поперечными ребрами различной формы используются в аппаратах для нагрева воздуха — калориферах (рис. 7), аппаратах воздушного охлаждения. Использующийся при нагреве водяной пар поступает в коллектор 1 и далее в пучок оребренных труб, конденсат отводится из коллектора 3.

Рис. 7. Пластинчатый калорифер

Спиральные теплообменники

В спиральном теплообменнике (рис. 8, а) поверхность теплообмена образуется двумя металлическими листами 1и 2, свернутыми по спирали. Внутренние концы листов приварены к глухой перегородке 3, аих наружные концы сварены друг с другом. С торцов спирали закрыты установленными на прокладках плоскими крышками 4 и 5. Теплоноситель / поступает через нижний штуцер и удаляется через боковой штуцер в правой крышке теплообменника, а теплоноситель // входит в левый боковой штуцер и ударяется через верхний штуцер. Работают при высоких скоростях сред. Недостатки спиральных теплообменников — сложность изготовления и ремонта.

Блочные и шнековые теплообменники

Для процессов теплообмена, протекающих в химически агрессивных средах, в ряде случаев используют теплообменники из неметаллических материалов. Типичными теплообменными аппаратами из графита являются блочные (рис. 8, б), состоящие из отдельных графитовых оков /, имеющих сквозные вертикальные каналы 2 круглого сечения и перпендикулярные им каналы 3. Теплоноситель / движется по вертикальным каналам, а теплоноситель // — по горизонтальным каналам 3, проходя последовательно все блоки. Горизонтальные каналы различных блоков сообщаются друг с другом через боковые переточные камеры 4. Графитовые блоки уплотняются между собой прокладками из резины и стягиваются торцовыми крышками 5 на болтах.

При тепловой обработке высоковязких жидкостей и сыпучих материалов, обладающих низкой теплопроводностью, теплоотдача может быть интенсифицирована путем непрерывного обновления поверхности материала, соприкасающегося со стенками аппарата. Это достигается при механическом перемешивании и одновременном перемещении материала с помощью шнеков (рис. 8, в). Материал поступает у одного конца корпуса / с рубашкой 2 и перемешивается вращающимися навстречу друг другу шнеками 3 и 4, которые транспортируют его к противоположному, разгрузочному концу корпуса.

а б в

Рис. 8. Спиральный (а), блочный(б), шнековый(в) теплообменники

Расчетная часть

Тепловая схема и основные параметры.

Принимаем индекс «1» для холодного теплоносителя (24% р-ра хлорида кальция), индекс «2» для горячего теплоносителя (диэтиловый эфир).

Тепловая схема процесса:

-19-16

-11

∆tб= 50°С ∆tм= -5°С

Средняя разность температур при противотоке теплоносителей:

Средняя температура раствора хлорида кальция:

t1 = (tн1-tк1) = (-19 — (-16))/2 = -17,50°С.

Средняя температура диэтилового эфира:

t2 = t2-∆tср = 31,00 — 23,88 = 7,12°С.

Расход теплоты на нагрев раствора хлорида кальция, учитывающий потери в окружающую среду (5%):

Q =G2·C2· (t2н — t2к)) ·1,05 = 2,5·1705·(31 — (-11)) ·1,05 = 187976,00 Вт

C2 — удельная теплоемкость диэтилового эфира при 10°С

Массовый расход раствора хлорида кальция:

G1 = Q / (C1· (t1н — t1к))

G1 = 187976,00/ (2910·(-19 — (-16))) = 21,53 кг/c

C1 — удельная теплоемкость раствора хлорида кальция при -15°С, Дж/(кг·К)

объемный расход раствора хлорида кальция:

V1 = G1 / с1 = 21,53/1224 = 0,018 м3/с

где: с1 — плотность раствора хлорида кальция при температуре -15°С, кг/м3

объемный расход диэтилового эфира:

V2 = G2 / с2 = 2,5/710 = 0,0035 м3/с

где: с2 — плотность диэтилового эфира при температуре 10°С, кг/м3

Для проведения расчетов выберем два вида теплообменных аппарата:

) Теплообменник типа «труба в трубе» ГОСТ 9930-78

) Кожухотрубчатый теплообменник ГОСТ 15122-70.

Расчет теплообменника «Труба в трубе».

Скорость раствора хлорида кальция в трубах для обеспечения турбулентного течения должна быть больше минимальной скорости движения. выбираем теплообменник типа «труба в трубе» изготовленный из труб 57х4 мм (наружная труба) и 38х4 мм (внутренняя труба);

минимальная скорость движения раствора хлорида кальция:

w1`= (10000·м2)/(d1·с1) = (10000·75,10·10-4)/(0,03·1224) = 2,06 м/с.

Число параллельно работающих труб:

n` = V1 /(0,785·d12·w1`) = 0,018/(0,785·0,032 ·2,06) = 12,11

Принимаем количество параллельно работающих труб 38×4 n = 10

Скорость движения раствора хлорида кальция:

w1 = V1/(0,785·d12·n) = 0,018/(0,785·0,032·10) = 2,49 м/с

критерий Рейнольдса для раствора хлорида кальция:

Re1 = w1·d1·с1/м1 = 2,49·0,03·1224/(75,10·10-4) = 12108,58

критерий Прандтля для раствора хлорида кальция:

Pr1 = с1·м1/л1 = 2910·75,51·10-4/0,518 = 42,42

где: л1 — коэффициент теплоотдачи раствора хлорида кальция, Вт/(м2·К)

критерий Нуссельта для раствора хлорида кальция рассчитываем согласно формуле 4.17, стр. 152:

Nu1=0,021·еl·Re0,8·Pr0,43· (Pr/Prст)0,25

(отношение (Pr/Prст)0,25 и коэффициент еl принимаем равными 1)

Nu1 = 0,021·Re0,8·Pr0,43 = 0,021·12108,580,8·42,420,43 = 194,33

Коэффициент теплоотдачи для раствора хлорида кальция:

б1 = Nu1·л1 /d1 = 194,33·0,518/0,03 = 3355,49 Вт/(м2·К)

Скорость движения диэтилового эфира:

w2 = V2/(0,785·d22·n) = 0,0035/(0,785·0,0492·10) = 0,19 м/с

критерий Рейнольдса для диэтилового эфира:

Re2 = w2·d2·с2/м2 = 0,19·0,049·710/(28,4·10-5) = 22885,26

критерий Прандтля для диэтилового эфира:

Pr2 = с2·м2/л2 = 1705·28,4·10-5/0,24 = 2,02

где: л2 — коэффициент теплоотдачи диэтилового эфира, Вт/(м2·К)

критерий Нуссельта для диэтилового эфира рассчитываем согласно формуле 4.17, стр. 152:

Nu2=0,021·еl·Re0,8·Pr0,43· (Pr/Prст)0,25

(отношение (Pr/Prст)0,25 и коэффициент еl принимаем равными 1)

Nu2 = 0,021·Re0,8·Pr0,43 = 0,021·22885,260,8·2,020,43 = 87,29

Коэффициент теплоотдачи для диэтилового эфира:

б2 = Nu2·л2 /d2 = 87,29·0,24/0,049 = 427,52 Вт/(м2·К)

термическое сопротивление стенки и загрязнений:

Уrст=1/rзагр.1+1/rзагр.2+dст./лст=1/5800+1/5800+0,0035/46,5 = 4,2·10-4 (м2·К)/Вт.

Коэффициент теплопередачи:

K=1/(1/б1+ Уrст+1/б2) = 1/(1/3355,49 + 4,2·10-4+1/427,52) = 327,11 Вт/(м2·К)

Поверхностная плотность теплового потока:

q = K·∆tср= 327,11·23,88 = 7813,38 Вт/м2

Внесение поправок в критерий Прандтля, определение температуры tст.1, tст.2:

∆t1= qб1 = 7813,38/3355,49 = 2,33 оС

∆tст = q·Уrст = 7813,38·4,2·10-4 = 3,28 оС

∆t2 = qб2 = 7813,38/427,52 = 18,28 оС

Проверка суммы:

∆t1+∆t2+∆tст = ∆tср

,33+18,28+3,28 = 23,88

Отсюда:

tст.1 = t1 — ∆t1 = -17,50 — 2,33 = — 19,83 оС

tст.2 = t2 + ∆t2 = 7,11 + 18,28 = 25,39 оС

Изменение температуры раствора хлорида кальция не значительны, приближение с критерием Прандтля примем верным, для диэтилового эфира осуществим проверку:

Тогда коэффициенты теплоотдачи:

б2 = б2! · (Pr/ Prст1)0,25 = 427,52·(2,02/1,79)0,25 = 440,14 Вт/м2·К.

Коэффициент теплопередачи:

K=1/(1/б1+ Уrст+1/б2) = 1/(1/3355,49+4,2·10-4+1/440,14) = 334,44 Вт/(м2·К)

Поверхностная плотность теплового потока:

q = K·∆tср= 334,44·23,88 = 8552,62 Вт/м2

Расчетная площадь поверхности теплопередачи:

Fp= Q/q = 187967/8552,62 = 21,98 м2

С запасом 10%: Fp= 24,18 м2

Площадь поверхности теплообмена одного элемента длиной L = 1,5 м:

F1 = П·dср·L = 3,14·0,03·1,5 = 0,23 м2

Число элементов в каждой секций:

N= Fp /n·F = 24,18/(10·0,23) = 9,52

Принимаем N=12

Общее число элементов:·N = 10·12 = 120 шт.

Общее число элементов чрезвычайно большое, увеличим длину труб теплообменника.

Площадь поверхности теплообмена одного элемента длиной L = 3 м:

F1 = П·dср·L = 3,14·0,049·3 = 0,46 м2

Число элементов в каждой секций:

N= Fp /n·F = 24,18/(10·0,46) = 4,76

Принимаем N=6

Общее число элементов:

n·N = 10·6 = 60 шт.

Принимаем число элементов 60. Выбранный теплообменник имеет длины труб 1,5 и 3 метра. Для сокращения числа элементов и удешевления конструкции примем большую длину труб. запас составляет 26%.

Масса выбранного аппарата составляет 6500 кг.

Металлоёмкость 103,1 кг/м2.

Средняя цена данного аппарата 950 тыс. рублей. из которых сборка данного аппарата 150 тыс. рублей.

Расчет гидравлического сопротивления для раствора хлорида кальция:

следующую формулу расчета:

ДP = 0,316·L·с·w2/2·dэ·Re0.25 = 0,316·3·1224·2,492 /2·0.03·12108,580,25= 11,430 кПа

Расчет гидравлического сопротивления для диэтилового эфира:

следующую формулу расчета:

ДP = 0,316·L·с·w2/2·dэ·Re0.25 = 0,316·3·710·0,192 /2·0,049·22885,260,25 = 19,49 Па

Расчет кожухотрубчатого теплообменника.

Для обеспечения интенсивного теплообмена попытаемся подобрать аппарат с турбулентным течением теплоносителей для этого критерий Рейнольдса возьмем Re = 10000. Раствор хлорида кальция направляем в трубное пространство, диэтиловый эфир в межтрубное пространство.

Определим скорость и соответствующее количество труб у теплообменника, при использовании внутренних труб диаметром 25×2 мм по ГОСТ 15120-79

w1 = 10000·м1 /(d1·с1) = 10000·75,51·10-4/(0,021·1224) = 2,94 м/с

n = V1/(0,785·d12· w1) = 0,018/(0,785·0,0212·2,94) = 17,30

предварительно выбираем одно ходовой теплообменник с внутренним диаметром 325 мм с числом труб равным 56 и диаметром 25×2 мм по ГОСТ 15120-79.

Критерий Рейнольдса для такого теплообменника составляет:

Re1= 10000·(n/(n/x)) = 10000·(17,30/(56/2)) = 6177,85

где x — число ходов, равное двум.

критерий Прандтля для раствора хлорида кальция:

Pr1 = с1·м1/л1 = 2910·75,51·10-4/0,518 = 42,42

критерий Нуссельта для раствора хлорида кальция рассчитываем согласно формуле 4.17, стр. 152:

Nu1=0,021·еl·Re10,8·Pr10,43· (Pr/Prст)0,25

(отношение (Pr/Prст)0,25 принимаем равным 1,05, с последующей проверкой)

Nu1 = 0,021·Re10,8·Pr10,43·1,05 = 0,021·6177,850,8·42,420,43 ·1,05 = 119,11

Коэффициент теплоотдачи для раствора хлорида кальция:

б1 = Nu1·л1 /d1 = 119,11·0,518/0,021 = 2937,94 Вт/(м2·К)

критерий Рейнольдса для диэтилового эфира равен:

Re2= V2·d2·с2/(Sm·м2) = 0,0035·0,025·710/(1,00·10-2 ·28,4·10-5) = 22007,04

где Sm — проходное сечение, м2

критерий Прандтля для диэтилового эфира равен:

Pr2 = с2·м2/л2 = 1705·28,4·10-5/0,24 = 2,02

критерий Нуссельта для диэтилового эфира рассчитываем согласно формуле 4.30, стр. 156:

Nu2=0,022·еф·Re20,65·Pr20,36· (Pr/Prст)0,25

(отношение (Pr/Prст)0,25 принимаем равным 1,05, с последующей проверкой)

Nu2=0,022·еф·Re20,65·Pr20,36· 1,05 = 0,22·1·22007,040,65·2,020,36·1,05 = 197,70

Коэффициент теплоотдачи для диэтилового эфира:

б2 = Nu2·л2 /d2 = 197,70·0,24/0,025 = 1897,96 Вт/(м2·К)

термическое сопротивление стенки и загрязнений:

/Уrст =1/(1/rзагр.1+1/rзагр.2+dст./лст) = 1/(1/5800+1/5800+0,0021/46,5) = 2564,18 (м2·К)/Вт.

Коэффициент теплопередачи:

K=1/(1/ б1+ Уrст+1/ б2) = 1/(1/2937,94+1/2564,18+1/1897,96) = 795,39 Вт/(м2·К)

Поверхностная плотность теплового потока:

q = K·∆tср= 795,39 ·23,88= 18998,86 Вт/м2

Внесение поправок в критерий Прандтля, определение температуры tст.1, tст.2:

∆t1 = qб1 = 18998,86/2937,94= 6,47 оС

∆t2 = qб2 = 18998,86/1897,96= 10,01 оС

tст.1 = t1 + ∆t1 = -17,50 + 6,47 = -11,03 оС

tст.2 = t2 + ∆t2 = 7,11 + 10,01 = 17,12 оС

критерий Прандтля для раствора хлорида кальция:

Prст1 = ct ·м t /л t = 2700·70·10-5/0,5 = 37,8

Проверка принятого приближения:

(Pr/ Prст1)0,25 = (42,42/37,8)0,25 = 1,03

Приближение считать верным.

критерий Прандтля для диэтилового эфира:

Prст2 = ct ·м t /л t = 2250·22,3·10-5/0,28 = 1,79

Проверка принятого приближения:

(Pr/ Prст2)0,25 = (2,02/1,79)0,25 = 1,03

Приближение считать верным.

Расчетная площадь поверхности теплопередачи:

Fp= Q/q = 187976/18998,86 = 9,89 м2

Выбранный нами теплообменник имеет следующие длины труб и соответствующие им поверхности теплообмена:

Длина труб L, м1,52,03,04,0Поверхность теплообмена, Fт, м29,59,0013,0017,5

выбираем длину труб равную 3 м. Масса выбранного аппарата составляет 690 кг. запас площади составляет 22%. Металлоёмкость 61,11 кг/м2. Средняя цена данного аппарата 450 тыс. рублей.

Расчет гидравлического сопротивления для раствора хлорида кальция:

следующую формулу расчета:

ДP = 0,316·L·с·w2/2·dэ·Re0.25 = 0,316·3·1224·2,93 2 /2·0,021·2790,000,25 = 32,80 кПа

Расчет гидравлического сопротивления для диэтилового эфира:

следующую формулу расчета:

ДP = 0,316·L·с·w2/2·dэ·Re0.25 = 0,316·3·740·0,702 /2·0,325·10479,540,25 = 50,76 Па

2. Выбор теплообменника

Из представленных выше расчетов двух теплообменников:

·кожухотрубчатого двух ходового теплообменника, с числом труб равным 56 и их длинной 3 метра и диаметром 25х2 мм.

·теплообменника типа «труба в трубе», изготовленного из труб 57х4 мм (наружная труба) и 38х4 мм (внутренняя труба) видно, что двух ходовой кожухотрубчатый теплообменник обладает следующими преимуществами:

.Меньше площадь поверхности теплообмена;

.Выше коэффициент теплоотдачи, в два раза;

.Меньше масса и габариты аппарата;

.Ниже по стоимости.

На основании всех этих показателей можно сделать вывод о том, что рациональнее выбрать кожухотрубчатый теплообменный аппарат для обеспечения должного теплообмена и достижения более высоких тепловых нагрузок на единицу массы аппарата.

КритерийДвухтрубный теплообменникКожухотрубный теплообменникПлощадь поверхности теплопередачи, м224,189,89Запас поверхности, %1822Коэффициент теплопередачи, Вт/(м2·К)334,44795,39Масса аппарата, кг6500690Стоимость, тыс рублей950450

Заключение

В заключении хотелось бы отметить. Что данная курсовая работа является одним из основных этапов к самостоятельному проектированию и расчёту аппаратов химической технологии студентами, как специалистами-инженерами. В процессе работы над курсовой был изучен значительный теоретический материал, а также освоен необходимый каждому инженеру графический пакет КОМПАС 13, который помог начертить, чертёж теплообменника в общем виде в соответствии с ГОСТом.

Библиографический список

1. Авербух Я.Д. Процессы и аппараты химической технологии: курс лекции ч. 2 / Я.Д. Авербух, Ф.П. Заостровский, Л.Н. Матусевич. — Свердловск: УПИ, 1973. — 428 с.

. Дытнерский Ю.И. основные процессы и аппараты химической технологий: пособие по проектированию / Ю.И. Дытнерский. — М.: Химия, 1983. — 272 с.

. Касаткин А.Г. основные процессы и аппараты химической технологии / А.Г. Касаткин — М.: Химия, 1973. — 754 с.

. Лащинский А.А. основы конструирования и расчёта химической аппаратуры/А.А. Лащинский, А.Р. Толчинский, — Л.: Машиностроение, 1970.

. Павлов К.Ф. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии / К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А. Носков. — Л.: Химия, 1983. — 578 с.

Учебная работа. Расчет и проектирование теплообменного аппарата