Наметим варианты теплообменных аппаратов

2. Наметим варианты теплообменных аппаратов

 

Для этого определим ориентировочное значение площади поверхности теплообмена, принимая  (стр. 47, т. 2.1, [2]):

Для более интенсивного теплообмена необходим аппарат с турбулентным режимом течения теплоносителей. Направим в трубное пространство воду, а в межтрубное пространство – ацетон. Также для наиболее эффективного теплообмена необходимо, чтобы трубы в аппарате располагались в шахматном порядке.

В теплообменниках с диаметром труб  по ГОСТу 15120-79 скорость течения исходного вещества при  должна быть более:

0,525

При этом число труб в аппарате обеспечивающих объемный расход исходного вещества при турбулентном режиме течения:

31,1=31 шт.

 

Расчет и подбор теплообменных аппаратов

Вариант №1:

 

D = 273 мм, n =37 , z =1 и F=9 м² :

Определим расчетное значение площади поверхности теплообмена и рассчитаем запас поверхности теплообмена у теплообменного аппарата данного типа.

Размер стрелки сегмента:

мм

Расстояние между перегородками:

мм

Где

Определим скорость и критерий Рейнольдса для исходного вещества:

36847

Для воды:

Определим коэффициенты теплоотдачи:

- для воды:

Теплоотдача течении в прямых трубах и каналах (), критерий Нуссельта рассчитывается по формуле (см. стр. 152, (4.17), [1])

ε_l = 1 – поправочный коэффициент, учитывающий влияние на коэффициент теплоотдачи отношения длины трубы к ее диаметру.

Откуда

Рассчитаем критерий Прандтля:

Тогда по формуле:

62,78

Принимаем значение = 1.

Коэффициент теплоотдачи:

1773

- для ацетона:

Рассчитаем критерий Прандтля:

3,633

Приняв.

Коэффициент теплоотдачи:

1299

Применительно к кожухотрубчатым теплообменникам с поперечными перегородками в формуле принимают коэффициент , учитывая, что теплоноситель в межтрубном лишь часть пути движется поперек труб и при угле атаки меньшем 90⁰.

Примем тепловую проводимость загрязнений стенки со стороны воды равной  (табл. 2.2, [2]), коэффициент теплопроводимости стали равной  (табл. XXVIII, [1]), тепловую проводимость загрязнений стенки со стороны исходного вещества равной  (табл. 2.2, [2]).

Тогда

Коэффициент теплоотдачи рассчитаем по формуле:

Поверхностная плотность теплового потока:

Расчетная площадь поверхности теплообмена составит:

14,5

Запас поверхности составляет при этом:

Запас поверхности теплообмена данного аппарата не удовлетворяет условию. По аналогичной схеме рассчитаем другой вариант.

 

Вариант №2

 

D =325 мм, n =56 , z =2 и F = 13 :

Определим скорости и критерии Рейнольдса:

- для исходного вещества:

- для воды:

Определим коэффициенты теплоотдачи:

- для ацетона:

- для воды:

Коэффициент теплопередачи:

Поверхностная плотность теплового потока:

Расчетная площадь поверхности теплообмена:

Запас поверхности составляет при этом:

Запас поверхности теплообмена данного аппарата удовлетворяет условию.

 

Расчет нагрузочной характеристики

 

Примем следующий интервал температур стенки со стороны горячего теплоносителя:

 

T₁ = / 25 30 40 50 55/ ⁰С

Данным температурам соответствуют следующие физико-химические показатели исходного вещества:

 

с_1.1 =2220,7 Дж/(кг К) – теплоемкость при t_ст =25 ⁰C;

с_1.2 = 2258,41 Дж/(кг К) – теплоемкость при t_ст =30 ⁰C;

с_1.3 = 2283,55 Дж/(кг К) – теплоемкость при t_ст =40 ⁰C;

с_1.4 =2308,69 Дж/(кг К) – теплоемкость при t_ст = 50 ⁰C;

с_1.5 =2342,21 Дж/(кг К) – теплоемкость при t_ст =55 ⁰C;

 

λ_1.1 =0,169 Вт/(м К) ρ_1.1 = 785,3 кг/м³

λ_1.2 =0,167 Вт/(м К) ρ_1.2 = 779,5 кг/м³

λ_1.3 = 0,165 Вт/(м К) ρ_1.3 =768 кг/м³

λ_1.4 =0,163 Вт/(м К) ρ_1.4 = 757 кг/м³

λ_1.5 =0,162 Вт/(м К) ρ_1.5 = 751,5 кг/м³

 

μ_1.1 = 0,3075 10^-3 Па с

μ_1.2 =0,293 10^-3 Па с

μ_1.3 = 0,268^-3 Па с

μ_1.4 = 0,246 10^-3 Па с

μ_1.5 = 0,476 10^-3 Па с

Скорость исходного вещества равна:

Критерии Рейнольдса и Прандтля:

24209,73

26077,6

28002,85

14366,9

3,96

3,71

3,48

6,88

Значение Nu рассчитываем по формуле:

166,6

170

145,54

Коэффициент теплоотдачи рассчитаем по формуле:

1090

1100

1108

943,1

Плотность теплового потока

6597,4

-4433,7

-8487,8

Определим температуру стенки со стороны холодного теплоносителя – воды:

Данным температурам соответствуют следующие физико-химические показатели воды:

 

с_2.1 = 4231,9 Дж/(кг К) – теплоемкость воды при t_ст = 24⁰C;

с_2.2 = 4252,9 Дж/(кг К) – теплоемкость воды при t_ст = 29,25⁰C;

с_2.3 = 4273,8 Дж/(кг К) – теплоемкость воды при t_ст = 39,7⁰C;

с_2.4 = 4315,7 Дж/(кг К) – теплоемкость воды при t_ст = 50,2⁰C;

с_2.5 = 4336,7 Дж/(кг К) – теплоемкость воды при t_ст = 55,4⁰C;

λ_2.1 = 0,611 Вт/(м К) ρ_2.1 = 993,5 кг/м³

λ_2.2 = 0,616 Вт/(м К) ρ_2.2 = 995кг/м³

λ_2.3 = 0,637 Вт/(м К) ρ_2.3 = 992 кг/м³

λ_2.4 = 0,645 Вт/(м К) ρ_2.4 = 987,5 кг/м³

λ_2.5 = 0,651 Вт/(м К) ρ_2.5 = 985,3 кг/м³

 

μ_2.1 = 0,9 10^-3 Па с

μ_2.2 = 0,801 10^-3 Па с

μ_2.3 = 0,656 10^-3 Па с

μ_2.4 = 0,549 10^-3 Па с

μ_2.5 = 0,509 10^-3 Па с

Скорости воды:

Критерии Рейнольдса и Прандтля считаем аналогично:

Значение Прандтля:

Т.к. все значения Re>10000, то значение Nu:

Коэффициент теплоотдачи:

Плотность теплового потока:

Далее строим графики зависимости и . Совмещенные кривые отображают нагрузочную характеристику теплообменного аппарата. Для установившегося процесса теплопередачи должно соблюдаться условие q₁ = q₂, поэтому точка пересечения кривых определяет действительную плотность теплового потока и действительную температуру на поверхности стенки со стороны горячего теплоносителя. Зная эту температуру можно с помощью критериальных уравнений вычислить значения коэффициентов теплоотдачи и рассчитать величину коэффициента теплопередачи.

Данной температуре (Т=29) соответствуют следующие физико-химические показатели:

- для исходного вещества:

 

с₁ = 2258,4 Дж/(кг К) – теплоемкость (стр. 562, рис. XI, [1]);

λ₁ =0,167 Вт/(м К) – коэф. теплопроводимости (стр. 561, рис. X, [1]);

ρ₁ =779,5 кг/м³ – плотность (стр. 512, т. IV, [1]);

μ₁ = 0,293 10^-3 Па с – коэф. динамической вязкости (стр. 516, т. IX, [1]).

- для воды:

 

с₂ = 4232,9 Дж/(кг К) – теплоемкость (стр. 562, рис. XI, [1]);

λ₂ =0,616 Вт/(м К) – коэф. теплопроводимости (стр. 561, рис. X, [1]);

ρ₂ =995 кг/м³ – плотность (стр. 512, т. IV, [1]);

μ₂ = 0,801 10^-3 Па с – коэф. динамической вязкости (стр. 516, т. IX, [1]).

Рассчитаем значения Re и Pr:

Коэффициент теплоотдачи:

Коэффициент теплопередачи:

Погрешность расчета:

Заключение

 

Для достижения поставленной цели в данной семестровой работе рассматривались только нормализованные теплообменные аппараты (холодильники), без рассмотрения экономических факторов, таких как: металлоемкость, себестоимость, вес и т.п.

В процессе приблизительной оценки были рассмотрены нормализованные теплообменные аппараты с внутренним диаметром кожуха 400мм, 600мм и 800мм. Запас поверхности теплообмена, у теплообменника с внутренним диаметром кожуха 800мм, не удовлетворял исходным требованиям, и в дальнейшем расчете нагрузочной характеристики не рассматривался. При рассмотрении теплообменных аппаратов с внутренним диаметром кожуха 400мм и 600мм, запас поверхности теплообмена составил, соответственно, 9,7% и 5%.

Далее рассчитывалась нагрузочная характеристика аппаратов. Вследствие чего, теплообменный аппарат, с внутренним диаметром кожуха 600мм, имел высокую ошибку при расчете коэффициента теплопередачи (свыше 10%), что не удовлетворяет условию задачи.

Всем требуемым условиям соответствует двухходовой нормализованный кожухотрубчатый теплообменный аппарат с внутренним диаметром кожуха 400мм, в количестве 2шт.

Приложение №1

Диаметр кожуха внутренний D, мм	Число труб n	Длина труб l, мм							Проходное сечение, м2			nр	h, мм
		1,0	1,5	2,0	3,0	4,0	6,0	9,0	Sт102	Sм102	Sв.п.102
		Поверхность теплообмена F, мм
Одноходовые
159*	13	1,0	1,5	2,0	3,0	-	-	-	0,5	0,8	0,4	5	100
273*	37	3,0	4,5	6,0	9,0	-	-	-	1,3	1,1	0,9	7	130
325*	62	-	7,5	10,0	14,5	19,5	-	-	2,1	2,9	1,3	9	180
400	111	-	-	17	26	35	52	-	3,8	3,1	2,0	11	250
600	257	-	-	40	61	81	121	-	8,9	5,3	4,0	17	300
800	465	-	-	73	109	146	219	329	16,1	7,9	6,9	23	350
1000	747	-	-	-	176	235	352	528	25,9	14,3	10,6	29	520
1200	1083	-	-	-	-	340	510	765	37,5	17,9	16,4	35	550
Двухходовые
325*	56	-	6,5	9,0	13,0	17,5	-	-	1,0	1,5	1,3	8	180
400	100	-	-	16,0	24,0	31,0	47	-	1,7	2,5	2,0	10	250
600	240	-	-	38	57	75	113	-	4,2	4,5	4,0	16	300
800	442	-	-	69	104	139	208	312	7,7	7,0	6,5	22	350
1000	718	-	-		169	226	338	507	12,4	13,0	10,6	28	520
1200	1048	-	-			329	494	740	17,9	16,5	16,4	34	550
Четырехходовые
600	206	-	-	32	49	65	97	-	1,8	4,5	4,0	14	300
800	404	-	-	63	95	127	190	285	3,0	7,0	6,5	20	350
1000	666	-	-	-	157	209	314	471	5,5	13,0	10,6	26	520
1200	986	-	-	-	-	310	464	697	8,4	16,5	16,4	32	550
Шестиходовые
600	196	-	-	31	46	61	91	-	1,1	4,5	3,7	14	300
800	384	-	-	60	90	121	181	271	2,2	7,0	7,0	20	350
1000	642	-	-	-	151	202	302	454	3,6	13,0	10,2	26	520
1200	958	-	-	-	-	301	451	677	5,2	16,5	14,2	32	550

* Наружный диаметр кожуха

n_р – число рядов по вертикали для горизонтальных аппаратов – по ГОСТ 15118-79;

h – расстояние между перегородками

 

Приложение №2

Список используемой литературы

1.  К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А. Носков «Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии», 10-ое издание, переработанное и дополненное. Под ред. П.Г. Романтшва. Л.: Химия, 1987.-576С.

2.  «Основные процессы и аппараты химической технологии»: Пособие по проектированию / Г.С. Борисов, В.П. Брыков, Ю.И. Дытнерский и др. Под ред. Ю.И. Дытнерского, 2-ое издание, переработанное и дополненное М.: Химия, 1991.-496С.

3.  А.Г. Касаткин «Основные процессы и аппараты химической технологии». М.: Химия, 1971.-784С.

Размещено на http://www.