Курсовая работа: Расчет теплообменного аппарата

Разборные многопоточные теплообменники «труба в трубе» нашли применение в технологических установках заводов нефтяной, химической, газовой и других отраслей промышленности при температурах от - 40 до +450 °С и давлениях до 2,5...9,0 МПа. Для улучшения теплообмена трубы могут иметь продольные ребра или поперечную винтовую накатку.

Спиральные теплообменники--аппараты, в которых каналы для теплоносителей образованы двумя свернутыми в спирали на специальном станке листами (рис. 3). Расстояние между ними фиксируется приваренными бобышками или штифтами. В соответствии с ГОСТ 12067--80 навивку спиральных теплообменников производят из рулонной стали шириной от 0,2 до 1,5 м с поверхностями нагрева от 3,2 до 100 м2 при расстоянии между листами от 8 до 12 мм и толщине стенок 2 мм для давления до 0,3 МПа и 3 мм -- до 0,6 МПа. Зарубежные фирмы изготовляют специальные теплообменники из рулонного материала (углеродистых и легированных сталей, никеля, титана, алюминия, их сплавов и некоторых других) шириной от 0,1 до 1,8 м, толщиной от 2 до 8 мм при расстоянии между листами от 5 до 25 мм. Поверхности нагрева составляют от 0,5 до 160 м2 [1].

Рис. 3. Спиральный теплообменник: а -- принципиальная схема спирального теплообменника; б -- способы соединения спиралей с торцевыми крышками.

Спиральные теплообменники устанавливают по штуцерам горизонтально и вертикально. Их часто монтируют блоками по два, четыре, восемь аппаратов и применяют для нагревания и охлаждения жидкостей и растворов. Вертикальные аппараты используют также для конденсации чистых паров и паров из парогазовых смесей. В последнем случае на коллекторе для конденсата имеется штуцер для удаления неконденсирующегося газа.

Пластичные теплообменники (рис. 4, а, б) имеют щелевидные каналы, образованные параллельными пластинками. В простейшем случае пластины могут быть плоскими.

Рис. 4. Пластинчатые теплообменники: а -- пластинчатый воздухоподогреватель; б -- разборный пластинчатый теплообменник для тепловой обработки жидких сред; в -- гофрированные пластины; г -- профили каналов между пластинами; I, II -- вход и выход теплоносителя [1].

1.2 Физико - химические свойства теплоносителей

В данном процессе конденсации теплоносителями являются вода и этиловый спирт. Рассмотрим их физические свойства.

Вода (оксид водорода) - при нормальных условиях представляет собой прозрачную жидкость, не имеющую цвета (при малой толщине слоя), запаха и вкуса. В твёрдом состоянии называется льдом (кристаллы льда могут образовывать снег или иней), а в газообразном -- водяным паром.

Химическая формула Н2О

Молярная масса 18,015 г/моль

Плотность 0,998 г / см3

Температура кипения 99,97 0С

Теплопроводность 0,56 Вт/(м*К)

Температура замерзания 00С

Теплоемкость воды при t= 240C, 4179Дж/кг*К

Этиловый спирт ( этанол) - при стандартных условиях летучая, горючая, бесцветная прозрачная жидкость с характерным запахом и сладковато-жгучим вкусом. Этиловый спирт также используется как топливо, в качестве растворителя, как наполнитель в спиртовых термометрах и как дезинфицирующее средство. Физические свойства абсолютированного этанола (100 %) немного отличаются от свойств спирта-ректификата с концентрацией 95,57 %. Их свойства почти одинаковы, но численные величины различаются на 0,1--0,01 %.

Химическая формула С2Н5ОН

Молярная масса 46,069 г/моль

Плотность 0,998 г / см3

Температура кипения 78,39 0С

Температура плавления -114,150С

2. Математическое моделирование процесса

2.1 Основные формулы для расчета конденсатора

Расчет теплообменной аппаратуры состоит из 2-х основных этапов:

1. Определение теплового потока (тепловой нагрузки аппарата), т.е. количества тепла Q, которое должно быть передано за определенное время ф от одного теплоносителя к другому. Тепловой поток вычисляется путем составления и решения тепловых балансов.

2. Определение поверхности теплообмена F, обеспечивающей передачу требуемого количества тепла в заданное время ф. Поверхность теплообмена находят из основного уравнения теплопередачи, вычислив предварительно значение средней разности температур между теплоносителями ?tср и коэффициент теплопередачи К:

Q=K·F·?tср ·ф

В данной курсовой работе расчет кожухотрубчатого теплообменника - конденсатора, проводим с целью определения площади теплообменной поверхности F, необходимого для передачи нужного количества теплоты.

В расчете конденсатора необходимо учесть, что происходит изменение агрегатного состояния одного из теплоносителей - этанола.

В таких теплообменниках температура изменяющего агрегатное состояние теплоносителя остается постоянной вдоль поверхности теплопередачи и соответствует температуре фазового перехода, а температура второго теплоносителя монотонно изменяется. Следовательно, движущая сила и коэффициент теплопередачи изменяются вдоль поверхности. В этом случае расчет теплообменника будет на основе осредненных вдоль поверхности параметров теплообмена, либо поинтервально, разбивая всю поверхность теплообмена на участки и предполагая на каждом из них постоянными параметры теплообмена. Далее расчет теплообменника по осредненным вдоль всей поверхности параметрам. Предлагаемый алгоритм расчета будет относиться к одно- и многоходовым кожухотрубным теплообменникам, в которых в межтрубном пространстве конденсируются пары жидкостей, а в трубах, вследствие теплоты конденсации, происходит нагревание жидкостей или газов.

Коэффициент теплоотдачи к теплоносителю в трубах может быть представлен в виде:

(1)

;

x=0,023, y=0,8 - если Reтр 104 ;

x=0,008, y=0,9 - если 2300 Reтр 104 ;

Gтр - массовый расход теплоносителя в трубах;

d=dн-2ст - внутренний диаметр труб;

N - число труб;

z - число ходов по трубному пространству.

Соответственно, коэффициент теплоотдачи от пара, конденсирующегося на наружной поверхности вертикальных труб диаметром dн и высотой H, есть:

(2)

(3)

В случае горизонтальных труб имеем аналогичное соотношение:

(4)

(5)

где L - длина труб;

P - коэффициент, учитывающий число труб в вертикальном ряду в диаметральном сечении теплообменника, поэтому с увеличением числа труб в вертикальном ряду средний коэффициент теплоотдачи от пара уменьшается. В соответствии с литературными данными в программе принято: Р=0,7, если получающееся в результате расчета общее число труб n?100; если n>100, автоматически производится коррекция: P=0,6, и делается однократный перерасчет требуемого числа труб).

Величина поверхности теплоотдачи F связана с числом труб N соотношением:

(6)

Тогда задачу определения поверхности теплопередачи можно свести к задаче отыскания числа труб N заданной длины (высоты) и диаметра. Для этого используем уравнение теплопередачи:

(7)

(8).

Здесь Tcp - среднелогарифмическая движущая сила;

(Gпrк) - общая тепловая нагрузка;

- сумма термических сопротивлений стенки трубы и загрязнений.

После подстановки в уравнение всех составляющих оно приводится к виду:

(9)

Последнее уравнение можно решить относительно числа труб в теплообменнике N методом половинного деления, сущность которого уже рассмотрена ранее. После определения числа труб N необходимая поверхность теплообмена F определяется из уравнения (6).

Следует отметить, что для расчета поверхности теплопередачи по уравнению (6) необходимо предварительно задать ряд конструктивных параметров, а именно: тип теплообменника (горизонтальный, вертикальный), диаметр труб dн, число ходов z и высоту (длину) труб Н. На рисунке 6 приведена блок-схема алгоритма расчета теплообменника.

В программе предусмотрен расчет тр по формуле для развитого турбулентного режима движения теплоносителя в трубах (x=0,023; y=0,8). Если в результате расчета высоты и числа труб выбранного диаметра получается, что безразмерное число Рейнольдса лежит в диапазоне 2300Reтр104 , то производят коррекцию (x=0,008; y=0,9) и осуществляют пересчет необходимого для теплопередачи числа труб того же диаметра и высоты. Программой не предусмотрен расчет тр для ламинарного режима, поэтому в процессе выбора конструктивных характеристик теплообменника (диаметра труб dн, числа ходов z и высоты труб H) следует стремиться к тому, чтобы получающееся в результате расчета число труб N обеспечивало выполнение условия Reтр2300.

Рис. 6. Блок-схема алгоритма расчёта кожухотрубного теплообменника с изменением агрегатного состояния одного из теплоносителей.

3. Расчетная часть

3.1 Определение ориентировочного значения коэффициента теплопередачи и подбор теплообменных аппаратов

В данной курсовой работе необходимо рассчитать поверхность кожухотрубного конденсатора в межтрубном пространстве, которого при атмосферном давлении конденсируются пары органической жидкости. Подобрать нормализованный теплообменный аппарат.

Таблица 1 - Исходные данные

Согласно рекомендациям методического указания к выполнению курсовой работы:

- выберем противоточный режим работы теплообменника;

- расчет будем вести по осредненным вдоль всей поверхности параметрам;

- в межтрубном пространстве конденсируются пары органической жидкости( этанола), а в трубах, вследствие теплоты конденсации, происходит нагревание жидкости ( воды).

- учесть, что коэффициент теплопередачи рассчитывать для развитого турбулентного режима, то есть Reтр> 2300.

Расчет

1 Найдем среднюю температуру:

78,370С - температура конденсации этилового спирта.

Определим среднюю температуру воды

Определим общую тепловую нагрузку, Q:

G - расход, кг/ч

r - удельная теплота парообразования этанола, определяемая при температуре конденсации, r = 837000 Дж/кг.

Рассчитаем расход воды

где

Q - тепловая нагрузка на аппарат, Вт;

Св - средняя удельная теплоемкость воды при t= 240C, Св = 4179Дж/кг*К

Определяем ориентировочное значение поверхности теплообмена, для чего по таблице 2 принимаем ориентировочное значение коэффициента теплопередачи.

Таблице 2 - Ориентировочные значения коэффициента теплопередачи К

Кор = 600 Вт/ м2*К

Число параллельных труб диаметром 252 мм, обеспечивающих условие Reтр104 при известном расходе воды:

где dв - внутренний диаметра трубы = 21 мм (25 - (2 · 2)) = 0,021 м;

тр - вязкость воды = 0,00089 Па·с, при средней температуре 24?С

nґ = = 89 шт.

Число параллельных труб диаметром 202 мм, обеспечивающих условие Reтр104 при известном расходе воды:

nґ = = 117 шт.

Коэффициент, учитывающий число труб в вертикальном ряду в диаметральном сечении теплообменника: 89/117=0,76

Выбираем по ГОСТ 15119-79 и ГОСТ 15121-79 конструкцию теплообменных аппаратов, наиболее близкое к заданному значению [1].

Таблица 3 - Подобранные теплообменные аппараты

Далее произведем расчет конденсатора по программе СOND, предварительно определив по справочной литературе теплофизические показатели воды и этилового спирта.

3.2 Выполнение расчета в программе

Program COND;

Uses crt;

var

gtr0,gtr,tntr,tktr,ctr,kpr,fpr,qp,td,rd,rod,vd,ld,dtb,dtm,dt,tstr,gd,rotr,vtr,ltr,lst,tip,L, dh,delt,z,A,B,B1,B2,C,Q,retr,d,x,y,p,FA,FC,alfatr,alfamt,k,f,rx,ry:real;

J,nt:integer;

ch:char;

function power(base,expon:real):real;

begin

power:=exp(expon*ln(base));

end;

begin

writeln('Ввод данных для расчета теплообменника:');

write ('Введите расход нагреваемой жидкости(кг/час):');readln(gtr0);

write('Начальная температура нагреваемой жидкости(град):');readln(tntr);

write('Конечная температура нагреваемой жидкости(град):');readln(tktr);

write('Введите температуру конденсирующегося пара(град):');readln(td);

{Вычисление средней разности температур}

dtb:=td-tntr;

dtm:=td-tktr;

if dtb/dtm<2 then dt:=(dtb+dtm)/2 else dt:=(tktr-tntr)/(ln((td-tntr)/(td-tktr)));

{вычисление средней температуры нагреваемой жидкости}

tstr:=td-dt;

writeln('Средняя движущая сила равна:',dt:2:3,'град');

writeln('Средняя температура нагреваемой жидкости равна:',tstr:2:3,'град');

writeln;

write('Введите теплоемкость нагреваемой жидкости при средней температуре:');readln(ctr);

gtr:=gtr0/3600;

{Решение уравнения теплового баланса}

qp:=1.05*gtr*ctr*(tktr-tntr);

writeln('Количество теплоты, переданное жидкости равно: ',qp:2:3,' Вт');

{Выбор приближенного значения коэффициента теплопередачи}

write('Введите предварительный коэффициент теплопередачи:');readln(kpr);