Расчет теплообменника. Расчет теплообменника с пояснениями. Аннотация в данном документе пояснительной записке отражены материальные, тепловые, экономические гидравлические расчеты, руководствуясь которыми можно произвести выбор типа аппарата и его конструктивные размеры.

• Название: Аннотация в данном документе пояснительной записке отражены материальные, тепловые, экономические гидравлические расчеты, руководствуясь которыми можно произвести выбор типа аппарата и его конструктивные размеры.
• Анкор: Расчет теплообменника
• Дата: 03.06.2021
• Размер: 422.37 Kb.
• Имя файла: Расчет теплообменника с пояснениями.docx
• Тип: Курсовой проект; #213620
• страница: 2 из 3

Теплообменники типа «труба в трубе». Теплообменники этого типа смонтированы из труб, каждая из которых окружена трубой несколько большего диаметра. Одна среда течет по внутренней трубе, другая - по кольцевому каналу. Внутренние трубы соединены последовательно «калачами», а наружные - патрубками. При необходимости получить большую поверхность теплопередачи возможно не только последовательное, но и параллельное и комбинированное соединение таких секций с помощью коллекторов. В теплообменнике типа «труба в трубе» соответствующим подбором диаметров труб для обеих теплообменивающих сред можно назначить любую скорость, а следовательно получить соответственно высокие значения величин . Недостатком таких теплообменников является большой расход металла на единицу тепло передающей поверхности вследствие затрат на бесполезные для теплообмена внешние трубы, что приводит к значительному увеличению стоимости аппарата. Этот недостаток становится менее ощутимым, если внешние трубы изготовлены из обычной углеродистой стали, а внутренние - из дорогостоящего материала в условиях агрессивных сред. Теплообменники типа «труба в трубе» особенно широко применяются тогда, когда среды подаются под высоким давлением (десятков и сотен атмосфер).

Теплоотдача от конденсирующегося пара. Одним из наиболее часто применяемых в химической промышленности методов нагревания является обогрев конденсирующимся водяным паром. Достоинства такого обогрева следующие:

1. 
   Пар обладает большим теплосодержанием, обусловленным теплотой конденсации.
   
2. 
   Есть возможность применения мятого пара после турбин, который еще не потерял свою теплоту конденсации.
   
3. 
   Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара имеет большую величину.
   
4. 
   Конденсирующийся пар обеспечивает равномерность и точность обогрева, легко регулируемого изменением давления.
   

Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара. Различают два механизма конденсации пара на тепловоспринимающей стенке: пленочный на смачиваемой поверхности и капельный на не смачиваемой конденсатом стенки. При ламинарном режиме коэффициент теплоотдачи можно определить через утолщающуюся пленку конденсата, стекающего под действием силы тяжести, тепло предается теплопроводностью. При конденсации пара на поверхности вертикальных труб

(2.23)

где - разность между температурами конденсации пара и стенки ; r - теплота конденсации, дж/кг; - коэффициент теплопроводности конденсата, ; - плотность конденсата, ; - вязкость конденсата, ; H - высота вертикальной трубы или стенки, м.

В уравнении (2.23) отображается физическая сущность явления. При расчете этого уравнения получается заниженный результат, так как не учитывается волнообразное движение пленки конденсата. Экспериментальные данные показывают, что более точные результату дает уравнение

(2.24)

Также на величину коэффициента теплоотдачи влияют в различной степени следующие факторы:

• 
  изменение величин и H (турбулентный режим стекания пленки);
  
• 
  изменение скорости движения пара и его направления;
  
• 
  изменение расположения теплопередающей поверхности (при горизонтальном расположении условия теплообмена ухудшаются);
  
• 
  изменение состояния поверхности и характера конденсации;
  
• 
  влияние перегрева пара;
  
• 
  влияние примесей конденсирующихся газов.
  

3.Материальные и тепловые расчеты

3.1. Общая часть.

1. Определим расход теплоты и расход воды. Примем индекс «1» для горячего теплоносителя (толуол), индекс «2» - для холодного теплоносителя (вода).

Предварительно найдем среднюю температуру воды:
t2 = 0,5 (10+80) = 45 С;
среднюю температуру толуола:
= 45 + 10 = 55 С; (3.1)
где - средняя разность температур, равная при потоке теплоносителей 10 С.
+90 20 С;

+80 10 С;

;
= 10 С; (3.2)
Без учета потерь тепла расход теплоты:

Вт; (3.3)

расход воды аналогично (3.3) выразив через расход:

кг/с; (3.4)

где =1439 Дж/(кг К) и =4176 Дж/(кг К) - удельные теплоемкости толуола и воды при их средних температурах =55 С и =45 С [1, рис. XI и таб. XXXIX].

Объемные расходы толуола и воды:

(3.5)

(3.6)

где кг/м³ и кг/м³ - плотность толуола [1, таб. IV] и воды [1, таб. XXXIX].
3.2. Наметим варианты теплообменных аппаратов.

Для этого определим ориентировочно значение площади поверхности теплообмена, полагая Кор = 210 по [1, таб. 4.8], т. е. Приняв его таким же, как и при теплообмене от жидкости к жидкости для углеводородов и масел:

; (3.7)

Из величины = 309 следует, что проектируемый теплообменник может быть много ходовым.

Для обеспечения интенсивного теплообмена попытаемся подобрать аппарат с турбулентным режимом течения теплоносителей. Tолуол направим в трубное пространство, так как это активная среда, воду - в межтрубное пространство.

В теплообменных трубах 25*2 мм теплообменников по ГОСТ 15120-79 скорость течения толуола при Re 2 > 10000 должна быть более

(3.10)

где - вязкость толуола при 55 С; [1, с. 556].

Число труб, обеспечивающих такой режим, должно быть:

; (3.11)
Выберем варианты теплообменников [2, таб. 2.3]:

1. 
   Теплообменник «кожухотрубный» D = 1000; d = 25*2; z=6; n/z = 107
   

SВ.П. = 0,102 ; F = 302 ; L = 6 м.

2. Теплообменник «кожухотрубный» D = 1000; d = 25*2; z=4; n/z = 101; SВ.П. = 0,07 ; F = 285 ; L = 6 м.
Вариант 1. Теплообменник «кожухотрубный» (ГОСТ 15120-79)

1. 
   Скорость течения в трубах, для обеспечения турбулентного режима, должна быт более
   
2. 
   Составим схему процесса теплопередачи (Рис. 3.1).
   

а) В трубное пространство. Определим критерии Рейнольдса и Прандтля для толуола.


Толуол Вода















Рис. 3.1 (к первому варианту расчета)
; (3.12)

;

; (3.13)

;

где =0,123 Вт/(м К) - коэффициент теплопроводности толуола [1, рис. X].

Рассчитаем критерий Нуссельта для турбулентного течения толуола:

; (3.14)

где примем равному 1, и соотношение =1 с дальнейшей поправкой.



Коэффициент теплоотдачи толуола к стенке:

; (3.15)

б) Межтрубное пространство. Рассчитаем коэффициент теплоотдачи для воды. Скорость воды в межтрубном пространстве.

; (3.16)

Критерий Рейнольдса для воды:

; (3.17)

где =0,0005 Па с [1, таб. XXXIX], = 990 при температуре +45 С;

Критерий Прандтля для воды при +45 С:

; (3.18)

где =0,64 Вт/(м К) - коэффициент теплопроводности воды [1, рис. XXXIX].

Для вертикального расположения труб примем выражение [1, форм. 4.28]

; (3.19)

примем значение = 1 с дальнейшей поправкой где и вязкость воды при 45 С и температуре стенки соответственно по формуле (3.20).

;

Коэффициент теплоотдачи для воды:

; (3.20)
Рассчитаем термическое сопротивление стенки и загрязнений [1, таб. XXXI]:

; (3.21)

;

Коэффициент теплопередачи:

; (3.22)



Поверхностная плотность потока:

; (3.23)

3. 
   Определим ориентировочно значения и , исходя из того, что
   

; (3.24)

где сумма .

Найдем: С; (3.25)

С; (3.26)

С; (3.27)

Проверка: сумма ;

4,24 + 0,58 + 5,18 = 10 С;

Отсюда

С; (3.28)

С; (3.29)

Введем поправку в коэффициенты теплоотдачи, определив .Критерий Прандтля для толуолa при С;

; (3.30)

где [1, с.262]; [1, с.556]; [1, с.561].

Коэффициент теплоотдачи для толуола:

(3.31)

Коэффициент теплоотдачи для воды:

(3.32)



где [1, таб. XXXIX];
Исправленные значения К, q, и (3.23):

;

; (3.33)
С; (3.34)

С; (3.35)
(3.36)

(3.37)

Дальнейшее уточнение , и других величин не требуется, так как расхождение между крайними значениями не превышает 5%.

4. 
   Расчетная площадь поверхности теплопередачи:
   

; (3.38)

запас

Вариант 2. Теплообменник «кожухотрубный» (ГОСТ 15120-79)

1. 
   Скорость течения в трубах, для обеспечения турбулентного режима, должна быт более
   
2. 
   Составим схему процесса теплопередачи (Рис. 3.2).
   

а) В трубное пространство. Определим критерии Рейнольдса и Прандтля для толуола. Рассчитаем Рейнольдс по формуле (3.12)


Толуол Вода