2
Содержание
Введение
1. Теоретическая часть. Физическое моделирование процесса
1.1 Теплообменные аппараты. Рекуперативные теплообменные аппараты
1.2 Физико-химические свойства теплоносителей
2. Математическое моделирование процесса
2.1 Основные формулы для расчета конденсатора
3. Расчетная часть
3.1 Определение ориентировочного значения коэффициента теплопередачи и подбор теплообменных аппаратов
3.2 Выполнение расчета в программе
3.3 Анализ полученных данных
Эскиз выбранного конденсатора
Список использованной литературы
Введение
теплообменный конденсатор рекуперативный
Теплопередача - это наука о процессах распространения теплоты. Различают три различных способа переноса теплоты: теплопроводность, конвекцию и тепловое излучение. В реальных установках теплота передаётся комбинированным путём, однако вклад этих трёх составляющих в общий перенос теплоты неодинаков и определяется многими условиями: природой теплоносителя, агрегатным состоянием, температурным и гидродинамическим условиям и т.д.
В химической технологии теплообменные аппараты довольно широко распространены, применяются в различных производствах легкой и тяжелой промышленности. Для обеспечения того или иного технологического процесса применяются различные типы теплообменных аппаратов. Основную группу теплообменных аппаратов, применяемых в промышленности, составляют поверхностные теплообменники, в которых теплота от горячего теплоносителя передается холодному теплоносителю через разделяющую их стенку. Другую группу составляют теплообменники смешения, в которых теплота передается при непосредственном соприкосновении горячего и холодного теплоносителей.
Целью данного курсового проекта является следующее:
- рассмотреть рекуперативные теплообменные аппараты, их конструкцию, принцип работы;
- подробно изучить процесс конденсации этанола, описать его на физическом и математическом уровне;
- выполнить расчет конденсатора по заданным параметрам;
- подобрать 5 теплообменных аппаратов и выбрать оптимальный нормализованный теплообменный аппарат;
- произвести проверочный расчет;
- в программе PascalABC выполнить расчет конденсатора.
1. Теоретическая часть. Физическое моделирование процесса
Основным законом теплоотдачи является закон Ньютона, согласно которому количество теплоты dQконв, переданное конвекцией от поверхности к окружающей среде (или наоборот), пропорционально поверхности теплообмена dF, разности температур поверхности tст и окружающей среды tf и времени d проведения процесса:
(1)
Коэффициент пропорциональности []=[] - называется коэффициентом теплоотдачи и показывает, какое количество теплоты передается от теплообменной поверхности 1 м2 в окружающую среду или наоборот в течении 1 с при разности температур теплообменной поверхности и окружающей среды 1 К.
Коэффициент теплоотдачи не является постоянной величиной для рассматриваемой среды и зависит в первую очередь от гидродинамических условий течения жидкости вдоль теплопередающей поверхности (режим движения жидкости); от физических свойств жидкости: плотности, вязкости, удельной теплоемкости и других параметров теплоносителя; затем следуют геометрические характеристики стенки, например длина и диаметр трубы.
Рассмотрим теперь теплообмен при конденсации паров. Основным способом осуществления перехода из паровой фазы в жидкую является конденсация паров на охлаждаемых поверхностях. При этом характер конденсации зависит от угла смачиваемости материала поверхности жидкостью: если образующийся конденсат смачивает поверхность, то он растекается по ней сплошной пленкой (пленочная конденсация). несмачивающий поверхность образует на ней отдельные капли (капельная конденсация). В дальнейшем будем рассматривать пленочную конденсацию. При ламинарном течении пленки конденсата перемешивания нет, то есть конвекция отсутствует, и теплота поперек пленки передается теплопроводностью.
Для определения коэффициента теплоотдачи используется формула Нуссельта для случая конденсации неподвижного пара:
(2)
где С - константа, зависящая от расположения труб;
l - характерный линейный размер;
r - теплота парообразования, Дж/кг;
сж , лж , µж - соответственно плотность, кг/м3 ; теплопроводность, Вт/м•К; динамическая вязкость, Па•с;
tн , tс - температуры насыщения и стенки, °С.
Формула Нуссельта дает погрешность в несколько процентов, так как не учитывает зависимость свойств жидкости от температуры и возрастание коэффициента теплоотдачи из-за волнового течения пленки, вызвано трением на границе раздела фаз.
Эксперименты показали, что интенсивность теплоотдачи на вертикальных и горизонтальных трубах была одинакова, что говорит о преобладающем влиянии динамического воздействия пара по сравнению с силами тяжести. Ранее уже шла речь о формуле Нуссельта для теплоотдачи при конденсации неподвижного пара на горизонтальной трубе. На практике приходится иметь дело с конденсацией движущегося пара. При конденсации пара на горизонтальном пучке труб теплоотдача на втором и последующих рядах снижается из-за уменьшения скорости пара, вызванной частичной его конденсацией на предыдущих рядах труб и увеличением толщины пленки за счет стекания конденсата с верхних трубок [3].
1.1 Теплообменные аппараты. Рекуперативные теплообменные аппараты.
Теплообменный аппарат (теплообменник) -- это устройство, в котором осуществляется теплообмен между двумя или несколькими средами. Устройства, в которых между средами происходит массообмен, называют массообменными аппаратами. Аппараты, в которых одновременно протекают тепло- и массообмен, называют тепломассообменными. Движущиеся среды, обменивающиеся теплотой или применяемые для передачи теплоты от более нагретых тел и веществ к менее нагретым, называют теплоносителями.
Наибольшее распространение в тепломассообменных и теплотехнологических установках получили следующие процессы: нагревание, охлаждение, конденсация, выпаривание, сушка, дистилляция, плавление, кристаллизация, затвердевание. По потенциалу теплоносителя теплотехническое оборудование можно разделить на низкотемпературное, среднетемпературное и высокотемпературное. К высокотемпературным установкам относятся промышленные печи, им соответствуют рабочие температуры в пределах 400...2000 °С. Низко- и среднетемпературное оборудование представляет собой теплообменные аппараты, установки для тепловлажностной обработки и сушки материалов и изделий, установки утилизации тепла. Рабочий диапазон среднетемпературных процессов и установок находится, как правило, в пределах 150...700 °С. Процессы с более низкими температурами, до -150 °С, называют криогенными.
Теплообменными аппаратами называются устройства, предназначенные для обмена теплотой между греющей и обогреваемой рабочими средами. Последние принято называть теплоносителями. Теплообменные аппараты различают по назначению, принципу действия, фазовому состоянию теплоносителей, конструктивным и другим знакам.
По назначению теплообменные аппараты делятся на подогреватели, испарители, конденсаторы, холодильники.
По принципу действия теплообменные аппараты могут быть разделены на рекуперативные, регенеративные и смесительные.
Рекуперативными называются такие аппараты, в которых тепло от горячего теплоносителя к холодному передается через разделяющую их стенку. Примером таких аппаратов являются паровые котлы, подогреватели, конденсаторы.
Регенеративными называются такие аппараты, в которых одна и та же поверхность нагрева омывается то горячим, то холодным теплоносителем. При протекании горячей жидкости тепло воспринимается стенками аппарата и в них аккумулируется, при протекании холодной жидкости это аккумулированное тепло ею воспринимается. Примером таких аппаратов являются регенераторы мартеновских и стеклоплавильных печей, воздухоподогреватели доменных печей.
В рекуперативных и регенеративных аппаратах процесс передачи тепла неизбежно связан с поверхностью твердого тела. Поэтому такие аппараты называются также поверхностными.
В смесительных аппаратах процесс теплопередачи происходит путем непосредственного соприкосновения и смешения горячего и холодного теплоносителей. В этом случае теплопередача протекает одновременно с материальным обменом. Примером таких теплообменников являются башенные охладители (градирни), скрубберы и др.
Если участвующие в тепломассообмене горячий и холодный теплоносители перемещаются вдоль поверхности нагрева в одном и том же направлении, тепломассообменный аппарат называют прямоточным, при встречном движении теплоносителей и сред -- противоточным, а при перекрестном движении -- перекрестноточным. Перечисленные схемы движения теплоносителей и сред в аппаратах называют простыми. В том случае, когда направление движения хотя бы одного из потоков по отношению к другому меняется, говорят о сложной схеме движения теплоносителей и сред.
Рекуперативные теплообменные аппараты -- это установки, работающие в периодическом или в стационарном тепловом режиме. Аппараты периодического действия обычно представляют собой сосуды большой вместимости, которые через определенные промежутки времени заполняют обрабатываемым материалом или одним из теплоносителей, нагревают или охлаждают его, а затем удаляют. В стационарном режиме работают, как правило, аппараты непрерывного действия. Конструкции современных рекуперативных теплообменных аппаратов весьма разнообразны и предназначены для работы с теплоносителями типов жидкость-жидкость, пар-жидкость, газ-жидкость.
Существенным для теплообменных аппаратов рекуперативного типа является наличие стенки из теплопроводного материала, разделяющей потоки теплоносителей. В зависимости от конструктивного исполнения поверхности теплообмена различают следующие виды рекуператоров:
- теплообменные аппараты, изготавливаемые из труб различной формы и диаметров (кожухотрубные, «труба в трубе», змеевиковые погружные, оро-сительные, витые, воздушного охлаждения с оребренными трубами);
- теплообменники, поверхность теплообмена которых изготовлена из листо-вого материала (пластинчатые, спиральные и т.д.).
Значительно чаще используются теплообменные аппараты непрерывного действия, среди которых наибольшее распространение получили кожухотрубчатые теплообменники (рис. 1). Кожухотрубные теплообменники представляют собой аппараты, выполненные из пучков труб, скрепленных при помощи трубных решеток и ограниченных кожухами и крышками. Трубное и межтрубное пространства в аппарате разобщены, а каждое из них разделено перегородками на несколько ходов.
В кожухотрубчатых теплообменниках обычно применяют трубы внутренним диаметром не менее 12 мм и не более 38 мм, так как при увеличении диаметра труб значительно снижается компактность теплообменника и возрастает его металлоемкость.
Длина трубного пучка колеблется от 0,9 до 5...6 м. Толщина стенки труб -- от 0,5 до 2,5 мм. Трубные решетки служат для закрепления в них труб при помощи развальцовки, запайки или сальниковых соединений. Кожух аппарата представляет собой цилиндр, сваренный из одного или нескольких стальных листов. Он снабжен фланцами, к которым болтами крепятся крышки. Толщина стенки кожуха определяется максимальным давлением рабочей среды и диаметром аппарата, но не делается тоньше 4 мм. Из-за различия температур греющей и нагреваемой сред кожух и трубы работающего аппарата также имеют различные температуры.
Рис. 1. Кожухотрубчатые рекуперативные теплообменные аппараты: а, б -- с жестким креплением труб в трубных решетках; в -- с линзовыми компенсаторам корпусе; г, д -- с U- и W-образными трубками; е -- с нижней плавающей распределительной камерой.
Для компенсации напряжений, возникающих в результате различия температурных расширений труб и кожуха, применяют линзовые компенсаторы, U- и W-образные трубы, теплообменники с плавающими камерами (рис. 1).
С целью интенсификации теплообмена увеличивают скорость теплоносителей с низким коэффициентом теплоотдачи, для чего теплообменники по теплоносителю, проходящему в трубах, делают двух-, четырех- и многоходовыми, а в межтрубном пространстве устанавливают сегментные или концентрические поперечные перегородки (рис. 1).
Рис. 2. Змеевиковые и секционные рекуперативные теплообменные аппараты: а -- с витой трубчатой поверхностью нагрева (змеевиковый); б -- секционный; в -- «труба в трубе»
Если перепады давления между греющей и нагреваемой средами в аппарате достигают 10 МПа и более, применяют змеевиковые теплообменники с витыми трубами (рис. 2, а), концы которых вваривают в распределительные коллекторы или в меньшие по размерам, чем в кожухотрубных аппаратах, трубные решетки. Эти аппараты более компактны, а также позволяют обеспечить более высокие скорости и коэффициенты теплоотдачи от теплоносителя, движущегося в трубах, в случае малых его расходов.
Секционные теплообменники (рис. 2, б), как и кожухотрубчатые, применяют в самых различных областях. Они характеризуются меньшим, чем в кожухотрубчатых аппаратах, различием скоростей в межтрубном пространстве и в трубах при равных расходах теплоносителей. Из них удобно подбирать необходимую площадь поверхности нагрева и изменять ее в случае необходимости. Однако у секционных теплообменников велика доля дорогостоящих элементов -- трубных решеток, фланцев, переходных камер, калачей, компенсаторов и т. п.; выше расход металла на единицу поверхности нагрева, больше длина пути теплоносителей, а следовательно, больше расход электроэнергии на их прокачку. В случае малых тепловых мощностей секции выполняют по типу теплообменников «труба в трубе», у которых в наружную трубу вставлена единственная внутренняя труба меньшего диаметра (рис. 2, в).