Задача расчет теплообменника. то май 27.05. 1. Литературный обзор 3 Постановка задания 7

• Название: 1. Литературный обзор 3 Постановка задания 7
• Анкор: Задача расчет теплообменника
• Дата: 31.05.2020
• Размер: 107.58 Kb.
• Имя файла: то май 27.05.docx
• Тип: Реферат; #126996

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 2

1. Литературный обзор 3

2. Постановка задания 7

3. Обоснование направления движения потоков 8

4. Предварительный выбор скорости теплоносителя в трубном пространстве 9

5. Определение коэффициента теплопередачи. 10

6. Моделирование в среде SimInTech 14

7. Расчет гидравлического сопротивления трубы и подбор насоса 17

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 19

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 20

ВВЕДЕНИЕ

Теплопередача – это наука о процессах распространения тепла. 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 промышленности теплообмен между рабочими телами (теплоносителями) происходит в специально сконструированных аппаратах, которые называются теплообменниками. Они должны отвечать определённым общим требованиям: обладать высокой тепловой производительностью и экономичностью, обеспечивать заданные технологические условия процесса, быть просты по конструкции, компактны, обладать современным техническим и эстетическим дизайном, иметь длительный срок службы, соответствовать требованиям СНИП и ведомственным правилам Госгортехнадзора. Особые требования предъявляются к обеспечению надёжности работы аппаратов, возможности автоматического регулирования технологических параметров и аварийного отклонения.

Для расчета и подбора нормализированного теплообменного аппарата составим и рассчитаем тепловой баланс, из которого определим тепловую нагрузку теплообменного аппарата и расход теплоносителя. Рассчитаем среднюю разность температур, выберем по опытным данным ориентировочный коэффициент теплопередачи. Рассчитаем ориентировочное значение поверхности теплообмена и по нему выберем стандартный теплообменник. Произведем уточненный расчет стандартного теплообменника: уточним коэффициенты теплоотдачи для горячего и холодного теплоносителя и уточненный расчет коэффициента теплопередачи. Сопоставим поверхности теплообмена расчетной и нормированной. Произведем гидравлический расчет [3].

1. Литературный обзор

Теплообменные аппараты (теплообменники) применяются для осуществ­ления теплообмена между двумя теплоносителями с целью нагрева или ох­лаждения одного из них. В зависимости от этого теплообменные аппараты называют подогревателями или холодильниками.

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.

По способу передачи тепла различают следующие типы теплообменных аппаратов [1, 2]:

- поверхностные, в которых оба теплоносителя разделены стенкой, при­чем тепло передается через поверхность стенки;

- регенеративные, в которых процесс передачи тепла от горячего тепло­носителя к холодному разделяется по времени на два периода и происходит при попеременном нагревании и охлаждении насадки теплообменника;

- смесительные, в которых теплообмен происходит при непосредствен­ном соприкосновении теплоносителей.

В химической промышленности наибольшее распространение получили поверхностные теплообменники, отличающиеся разнообразием конструк­ций, основную группу которых представляют трубчатые теплообменники, такие как: кожухотрубчатые, оросительные, погруженные и "труба в трубе".

Кожухотрубчатые теплообменники. Одним из самых распространенных типов теплообменников являются кожухотрубчатые теплообменники. Они представляют из себя пучок труб, концы которых закреплены в специальных трубных решетках путем разваль­цовки, сварки, пайки, а иногда на сальниках. Пучок труб расположен внутри общего кожуха, причем один из теплоносителей движется по трубам, а другой - в пространстве между кожухом и трубами.

Кожухотрубчатые теплообменники могут быть с неподвижной трубной ре­шеткой или с температурным компенсатором на кожухе, вертикальные или горизонтальные [4].

Достоинствами кожухотрубчатых теплообменников являются: компакт­ность; небольшой расход метала; легкость очистки труб изнутри, а недос­татками – трудность пропускания теплоносителей с большими скоростями; трудность очистки межтрубного пространства и трудность изготовления из материалов, не допускающих развальцовки и сварки.

Кожухотрубчатые теплообменники могут использоваться как для нагрева, так и для охлаждения.

Теплообменные аппараты изготавливают (по ГОСТ 15120-79) [1, 2]:

1) по расположению – вертикальными (типы Н, К и П) и горизонтальными (типы Н, К, П и У);

2) по числу ходов в трубном пространстве – одноходовыми (типы Н и К), двухходовыми (типы Н, К, П и У), четырехходовыми (типы Н, К и П) и шестиходовыми (типы Н, К и П).

Теплообменники типа «труба в трубе». При сравнительно небольших тепловых нагрузках (малых производительностях по теплоносителям), когда требуемая величина теплопередающей поверхности незначительна (до 20-40 м²), на практике рекомендуется использовать наиболее простые по устройству, изготовлению, монтажу и эксплуатации теплообменники. Они изготавливаются в следующих исполнениях:

- неразборные однопоточные малогабаритные;

- разборные одно- и двухпоточные моногабаритные;

- разборные однопоточные;

- неразборные двухпоточные;

- разборные многопоточные.

В пластинчатых теплообменниках поверхность теплообмена образуется набором тонких штампованных гофрированных пластин, которые собраны в пакеты и разделены между собой специальной формы и профиля уплотнительной термостойкой резиной. Они могут быть разборными и полуразборными.

Спиральные теплообменники. В них поверхность теплопередачи образуется двумя листами (лентами) из углеродистой или легированной стали, свёрнутыми в виде спирали вокруг центральной перегородки.

Блочные графитовые теплообменники. Для осуществления процесса теплообмена между агрессивными химически активными теплоносителями пользуются теплообменниками, изготовленными из графита. Наибольшее распространение получили блочные графитовые теплообменники.

2. Постановка задания

Требуется провести моделирование кожухотрубного теплообменника, целевым назначением которого является охлаждения бутанола. В качестве охлаждающего теплоносителя используется вода.

Параметры технологического режима

Расход толуола кг/с.

Начальная температура бутанола .

Конечная температура бутанола .

Начальная температура воды .

Конечная температура воды .
Теплофизические свойства бутанола вычислены методом линейной интерполяции и представлены в таблице 1.
Таблица 1 – Теплофизические свойства теплоносителей[6]

Свойство	Бутанол	Вода
Средняя температура, °С	0,5(100+38) = 69	0,5(10+38) = 24
Удельная теплоемкость,	2867,6	4179,8
Плотность,	774,25	997,3
Кинематическая вязкость,		0,9366
Теплопроводность,	0,1431	0,607
Число Прандтля	19,418	6,286

3. Обоснование направления движения потоков

Выбираем противоточное движение теплоносителей, т.к. конечная температура охлаждающего теплоносителя меньше конечной температуры целевого теплоносителя. Кроме того, противоток обеспечивает большую среднюю движущую силу и при этом температурный напор по ходу теплоносителей меняется относительно равномерно.

Динамическая вязкость охлаждающей воды больше динамической вязкости бутанола, поэтому воду направляем в трубное пространство, а бутанол – в межтрубное.

Расход воды находится из теплового баланса теплообменника:

, (1)

4. Предварительный выбор скорости теплоносителя в трубном пространстве

Для предварительного выбора скорости используем таблицу рекомендованных линейных скоростей (см. таблицу 2).
Таблица 2 – Таблица рекомендуемых линейных скоростей

Динамическая вязкость			1,5	0,5-1	0,1-0,5	0,035-0,1	0,001-0,035	0,001
Линейная скорость			0,6	0,75	0,85	1,5	1,8	2,4

Исходя из рекомендаций можно принимать линейную скорость 2,4 м/с.

5. Определение коэффициента теплопередачи.

Поверхность теплообмена определяем по уравнению

(2)

где тепловая нагрузка, Вт.

(3)



Температурный перепад между теплоносителями на концах аппарата: при противотоке





Температурный напор





Примем ориентировочное значение коэффициента теплопередачи , тогда



Близкую площадь поверхности теплообмена имеют 4-х и шестиходовые кожухотрубные теплообменники диаметром 600 мм.

Произведем уточненный расчет площади теплообмена.

Определим диаметр труб по формуле

(4)

Для 4-ходового теплообменника



Для 6-ходового теплообменника



Примем шестиходовой теплообменник со стандартными трубами диаметром 25х2 мм.

Число труб в одном ходу

(5)

Тогда



Общее число труб в пучке (расчетное)

(6)

где количество ходов в теплообменнике.



Располагая трубы по периметрам шестиугольников, принимаем и, уточняя из уравнения (4), пересчитываем скорость движения жидкости по уравнению (3).





В целях определения режима движения жидкости в трубах, вычисляем критерий Рейнольдса:

(7)

где эквивалентный диаметр, м.



Так как критерий Рейнольдса то режим движения – турбулентный. Число Нуссельта находим по критериальному уравнению

(8)



Рассчитываем коэффициент теплоотдачи от греющей воды к стенке трубы

(9)



Объемный расход бутанола

(10)



Скорость бутанола

(11)



В целях определения режима движения жидкости в межтрубном пространстве, вычисляем критерий Рейнольдса:



где эквивалентный диаметр, м.



Так как критерий Рейнольдса лежит в промежутке то режим движения – переходный. Число Нуссельта находим по критериальному уравнению

(12)





Для расчета коэффициента теплопередачи рекомендуется использовать формулу:

(13)

Из формулы следует, что необходимо учитывать загрязнения как с внешней, так с внутренней стороны труб. Со стороны обычной оборотной воды термические загрязнения можно принимать порядках 0,0006 при температуре до 100°С. Термические загрязнения со стороны органических теплоносителей примем равными 0,0002 .

.



Примем стандартизированный 6-ходовой теплообменник с площадью поверхности теплопередачи 91 м², диаметр 600 мм. Коэффициент запаса составит

6. Моделирование в среде SimInTech

Теплообменник представляется двумя динамическими элементами. Один элемент характеризует динамику теплообмена для потока в трубах (вода), а другой – динамику теплообмена в межтрубном пространстве (бутанол). Дифференциальные уравнения решаем в SimInTech с использованием библиотечного блока передаточной функции. Для этого предварительно представим дифференциальные уравнения в следующем виде:

(14)

(15)

Для нахождения коэффициентов , которые необходимо задавать в качестве параметров передаточных функций, необходимо предварительно рассчитать отношение тепловых эквивалентов:

(16)

;

(17)



(18)



X .

Входным сигналом динамических элементов является X, а выходным сигналом текущая температура теплоносителей T и . Элементами структурной схемы являются библиотечные блоки SimInTech:

Блок «Константа» из библиотеки «Источники»,

Блок «Передаточная функция общего вида» из библиотеки «Динамические»,

Блок «Временной график» из библиотеки «Вывод данных»,





Из графика видно, что для обеспечения температуры горячего теплоносителя на выходе: и температуры холодного теплоносителя на входе: необходимое время пребывания потоков в аппарате должно быть равно сек.

При скорости потока в трубе это время для теплообменника с ходами соответствует общей длине секции из 6-ти труб:

м.

Примем длину трубы, а значит и секции, 6 м, то число секций теплообменника:



Округляя, принимаем число секций 6, что соответствует 6-м ходам теплообменника.

Минимальный диаметр сечения кожуха теплообменника определяем по формуле:



Примем стандартный диаметр кожуха 600 мм.

7. Расчет гидравлического сопротивления трубы и подбор насоса

Общее сопротивление находится по формуле

. (19)

Потери давления на придание потоку скорости



Потери давления на трение в прямых трубах и каналах

. (20)

Коэффициент трения рассчитывается по формуле [5]

, (21)

где относительная шероховатость;

- абсолютная шероховатость.







Потери давления на местные сопротивления



Затраты энергии на подъем жидкости





Мощность насоса



По мощности выбираем центробежный насос К 20/30 мощностью 4 кВт.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В курсовом проекте выполнен тепловой, материальный, гидравлический и подобран нормализованный кожухотрубчатый теплообменный аппарат для охлаждения бутанола. Расход горячего теплоносителя – 8 кг/с, температура начальная - 100ºС, конечная - 38ºС. Охлаждение осуществляется водой с начальной температурой 10ºС.

В ходе расчетов был выбран стандартный вертикальный кожухотрубчатый теплообменный аппарат с диаметром кожуха 600 мм с поверхностью теплообмена 91 м².

В результате гидравлического расчета определено гидравлическое сопротивление трубного пространства (226544,8 Па) и подобран насос для подачи воды – К 20/30.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. ГОСТ 15120-79. Холодильники кожухотрубчатые с неподвижными трубными решетками и кожухотрубчатые с температурным компенсатором на кожухе.

2. ГОСТ 15122-79. Теплообменники кожухотрубчатые с неподвижными трубными решетками и кожухотрубчатые с температурным компенсатором на кожухе. Основные параметры и размеры.

3. Машины и аппараты химических производств: примеры и задачи: учеб. пособие / И.В. Доманский, В.П. Исаков, Г.М. Островский и др; под общ. ред. В.Н. Соколова. – Л.: Машиностроение, 1982 – 384 с.

4. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии: учебное пособие для вузов / К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А. Носков; – 13-е изд., стереотипное. Перепечатка с издания 1987 г. М.: ООО ТИД «Альянс», 2006. – 576 с.

5. Лащинский А.А., Толчинский А.Р. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры / А.А. Лащинский, А.Р. Толчинский. - Л. «Машиностроение», 1975.

6. Дытнерский Ю.И., Борисов Г.С., Брыков В.П. 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-е изд., перераб. и дополн. М.: Химия, 1991. – 496 с.