курсовой проект аппарат для охлаждения и конденсации газового потока. курсовой проект 0401. Курсовой проект по пахт разработать конструкцию и рассчитать конденсатор для охлаждения и конденсации газового потока состава 25 H

• Название: Курсовой проект по пахт разработать конструкцию и рассчитать конденсатор для охлаждения и конденсации газового потока состава 25 H
• Анкор: курсовой проект аппарат для охлаждения и конденсации газового потока
• Дата: 10.12.2022
• Размер: 1.48 Mb.
• Имя файла: курсовой проект 0401.docx
• Тип: Курсовой проект; #837337
• страница: 6 из 8

2.3 Тепловой расчет

Теплота входящего потока веществ определяется теплотой входящего газового потока и теплотой конденсации веществ:

,

где – теплота, подводимая парами воды в аппарат, кДж/ч;

– теплота, подводимая парами этилового спирта в аппарат, кДж/ч;

– теплота, подводимая воздухом в аппарат, кДж/ч;

– теплота, поступающая за счет конденсации паров воды, кДж/ч;

– теплота, поступающая за счет конденсации паров этилового спирта, кДж/ч;
Таблица 2 – Удельная теплоёмкость входящих веществ при t_вх и t_вых.

Вещество	Ср при 110 ℃, кДж/кг∙К	Ср при 8℃ (газы), кДж/кг∙К	Ср при 8℃ (жидкости), кДж/кг∙К
H2O	4,216	1,869	4,196
С2Н5ОН	3,662	2,473	2,32
Воздух	1,009	1,005

Таблица 3 – Удельная теплота испарения

Компоненты	ΔHф.п.i, кДж/кг
H2O	2260
С2Н5ОН	837

Теплота, подводимая газовыми потоками в аппарат, рассчитывается по формуле:

Q_i = G_i · С_i · t_вх , (1)

где G_i – массовый расход входящих веществ, (таблица1), кг/ч

С_i– удельная теплоемкость веществ, (таблица 2), кДж/кг·К;

t_вх – температура входного потока, К.

Таким образом:

= · · t_вх =187,36·1,869·383 = 302535,03 кДж/ч;

= · · t_вх =524,61·2,473·383 = 375528,7 кДж/ч;

= G_Воздух · С_Воздух · t_вх = 37,47·1,005·383 = 60219,97 кДж/ч.

Теплота конденсации паров определена по формуле:

Q_кондi= ΔH _ф.п.i · G_i , (2)

где Q_кондi – теплота конденсации паров, кДж;

ΔH_ф.п.i – удельная теплота фазового перехода (таблица 3) кДж/кг;

G_i – массовый расход пара, перешедшего в жидкую фазу (таблица 1), кг/ч.

Таким образом:

2300·177,99 = 1200563,81 кДж/ч;

837·521,98 = 148979,11 кДж/ч;

=302535,03+375528,07+60219,97+1200563,81+148979,11=

= 2087825,99 кДж/ч.

Теплота исходящего потока веществ, которая определяется теплотой газового и жидкостного потоков, исходящих из аппарата:

,

где – теплота, удаляемая парами воды из аппарата, кДж/ч;

– теплота, удаляемая парами этилового спирта из аппарата, кДж/ч;

– теплота, удаляемая воздухом из аппарата, кДж/ч;

– теплота, удаляемая жидкой водой из аппарата, кДж/ч;

– теплота, удаляемая жидким этиловым спиртом из аппарата, кВт;

Расчёт теплот, удаляемых веществ, по формуле (1), с учётом температуры, при которой вещества удаляются из аппарата (281К):

=9,37·1,869·281 = 4919,96 кДж/ч;

= 2,62·2,473·281= 1822,78 кДж/ч;

= 37,47·1,005·281 =10582,27 кДж/ч;

= 177,9·4,196·281 = 615459,12 кДж/ч;

= 521,98·2,32·281= 116036,39 кДж/ч;

= 4919,69+1822,78+10582,27+615459,12+116036,39 =

=748820,52 кДж/ч.

Количество потерь тепла через кожух аппарата (10%):

= ⸱ 0,1= 2087825,99⸱ 0,1 = 208782,6 кДж/ч

Количество теплоты, которое должно отводиться хладагентом (водным раствором хлорида кальция):

= − − =

= 2087825,99 – 748820,52 – 208782,6 = 748820,52 кДж/ч.

Таблица 4 – Тепловой баланс конденсатора

Приход							Расход
№ п/п	Статья	Q, кДж/ч		%		№ п/п		Статья		Q, кДж/ч		%
1	Тепло входящего газового потока, в том числе:					1		Тепло удаляемых газообразных продуктов, в том числе:
	С2Н5ОН	375528,07		17,99				С2Н5ОН		1822,78		0,087
	H2O	302535,03		14,49				H2O		4919,96		0,236
	воздух	60219,97		2,88				воздух		10582,27		0,507
2	Тепло фазового перехода (конденсации), в том числе:					2		Тепло удаляемых жидких продуктов, в том числе:
	H2O	1200563,81		57,50				H2O		615459,12		29,48
	С2Н5ОН	148979,11		7,14				С2Н5ОН		116036,39		5,56
							3		Тепло, отводимое теплоносителем (хлорид кальция в воде):
									CaCl2(aq)		1130222,87		54,13
							4		Потери тепла, в том числе
											208782,60		10
Итого			2087825,99		100		Итого				2087825,99		100

Тепло входящего потока составляет 2087825,99 кДж/ч, тепло исходящего потока составляет 2087825,99 кДж/ч. Тепло, которое необходимо отводить холодным теплоносителем составляет 1130222,87 кДж/ч. Потери тепла составили 208782,60 кДж/ч. Массовый расход, охлаждающего CaCl_2(водн) составляет 5733,68 кг/ч, объемный расход охлаждающего CaCl_2(водн) составляет 4,41 м³/ч.
2.4 Аппаратурный расчёт
В начальный период теплообмена происходит конденсация газового потока начальной температуры 110 ℃, водным раствором хлорида кальция начальной температуры 1ºС. Зону теплообмена, в которой происходит данный процесс обозначим, как первую зону теплообмена. Температура выхода конденсата составляет 8ºС, следовательно конденсат охлаждается от 110 ºС до 8ºС и при охлаждении передает тепло охлаждающей воде, нагревая его. Эту зону обозначим как вторую зону теплообмена.

Тепловой поток при конденсации пара

кДж/ч =

=37 487,3 кВт

Тепловой поток со стороны конденсата:



Состав конденсата:





Теплоёмкость конденсата при 59℃:



Тепловой поток со стороны конденсата:

Q_конд=G_конд· ·( кДж/ч= кВт

Общее количество тепла:

Q=Q_пар+Q_конд=846281,93+117092,65=963374,58 кДж/ч

массовый и объемный расход охлаждающего CaCl_2(водн):





Теплоёмкость холодного теплоносителя:



Температура между зонами теплообмена:


2.4.2 Расчёт площади поверхности теплообмена первой зоны

Средняя разность температур для зоны конденсации:

110 →110

14,93 → 65

Δt_м=110 – 65 = 45℃

Δt_б=110 –14,93=95,07℃



Средняя температура смеси:

t_{ср.смеси}=t_н – Δt_ср=110-66,94=43,06℃

В соответствии с [1 табл. 2.1] принимаем для теплопередачи от пара, содержащего пары органического вещества, к жидкости ориентировочное значение коэффициента теплопередачи K_op600 Вт/(м²·К).

Средние температуры теплоносителей:



Ориентировочное значение поверхности теплообмена первой зоны:



2.4.3 Расчёт поверхности теплообмена второй зоны.

Средняя разность температур для зоны конденсации:

110 →8

14,93 ← 1

Δt_м=8 – 1 = 7℃

Δt_б=110 –14,93=95,07℃



Средняя температура смеси:

t_{ср.смеси}=t_н – Δt_ср=110-33,76=76,24℃

В соответствии с [1 табл. 2.1] принимаем для теплопередачи от пара, содержащего пары органического вещества, к жидкости ориентировочное значение коэффициента теплопередачи K_op600 Вт/(м²·К).

Ориентировочное значение поверхности теплообмена первой зоны:



Общая поверхность теплообмена:

F=F₁+F₂=5,85+13,21=19,06 м²

По значению площади поверхности теплообмена выбран подходящий конденсатор (по ГОСТ 15119-79, ГОСТ 15121-79). Его параметры представлены в таблице 5.

Таблица 5 – Параметры кожухотрубчатого теплообменника

Параметр аппарата	Величина	Единица измерения
Поверхность теплообмена, F	46	м²
Диаметр кожуха внутренний, D	600	мм
Диаметр труб и толщина стенки, d×δ	25х2	мм
Общее число труб, 𝑛об	196	шт
Площадь проходного сечения по трубам, S	0,011	м²
Длина труб, L	3	м
Число ходов, z	6	–

Расчёт коэффициента теплопередачи для первой зоны теплообмена

Скорость холодного теплоносителя в трубном пространстве:

,

где G – массовый расход охлаждающей воды, кг/с;

ρ – плотность вещества, кг/м³;

S – площадь сечения одного хода по трубам, м².

Критерий Рейнольдса для охлаждающего раствора хлорида кальция :


где ω – линейная скорость жидкости, м/с;

d_вн – внутренний диаметр труб, м;

ρ – плотность вещества, кг/м³;

n – число труб;

S – площадь проходного сечения труб;

μ – вязкость вещества, Па/с.



Число Рейнольдса меньше 2300, значит, режим движения охлаждающей раствор хлорида кальция в воде – ламинарный.

Коэффициент теплоотдачи холодного теплоносителя найдем по формуле:

,

(2)

где d_внутр = d_нар – 2 δ = 0,025 – 2·0,002 = 0,021 м;

Nu – критерий Нуссельта, при ламинарном режиме движения

(3)

критерий Прандтля, находим по формуле:

(4)

где C_p – удельная теплоемкость воды (таблица 2), Дж/кг·К;

μ = 1.2·10^–3 Па·с – динамическая вязкость хлорида кальция в воде;

λ = 0,6 Вт/(м·К) – коэффициент теплопроводности CaCl₂ (водн).

Gr – критерий Грасгофа, находим по формуле:

(5)

где d_внутр – внутренний диаметр труб, м;

g – ускорение свободного падения, м/с² ;

ρ – плотность теплоносителя, кг/м³;

β – коэффициент объемного расширения теплоносителя, град⁻¹ ;

Δt_б – разность температур, К;

μ – вязкость теплоносителя, Па·с.

Таким образом, из формул 4 и 5 получаем:





При температуре стенки, равной 65 ℃, множитель в уравнении 8 равен 1,47. По формуле 9 найдем число Нуссельта:

Nu = 0,15 · 1012,6^0,33 · 8,366^0,43 · (1,88 · 10⁸)^0,1 · 1,47 = 36,249.

По формуле 2 находим коэффициент теплоотдачи холодного теплоносителя:


При плёночной конденсации насыщенного пара на наружной поверхности пучка вертикальных труб коэффициент теплоотдачи рассчитывается по уравнению:

,

(6)

где α^гор– коэффициент теплоотдачи, Вт/м²·К;

λ – коэффициент теплопроводности теплоносителя, Вт/м·К;

μ – вязкость теплоносителя, Па·с;

ρ – плотность вещества, кг/м³;

n_об – количество трубок в теплообменнике (таблица 5);

d_нар – наружный диаметр трубок в теплообменнике (таблица 5), м;

G^гор – расход горячего теплоносителя (таблица 1);
Таблица 6 – Физико-химические свойства горячего теплоносителя

Параметр	Величина	Единица измерения
Коэффициент теплопроводности, λ	0,611	Вт/м·К
Вязкость теплоносителя, μ	0,49·10−3	Па·с
Плотность вещества, ρ	1,12	кг/м³

Суммарное термическое сопротивление стенки и загрязнений:



где λст=46,5 Вт/(м·К) – коэффициент теплопроводности стали.

Приблизительно значение коэффициента теплопередачи составляет:

Вт/(м² · К).

По формуле 1 найдем приблизительное значение поверхности теплообмена первой зоны:



Определение ориентировочного значения для температур стенок

q=K_приб1· Δt_ср= α₁· Δt₁

q=K_приб1· Δt_ср=6,637·66,94=444,25 Вт/м²

Δt₁=q/ α^гор =444,26/6,68=66,492 ℃

Δt_ст=q =444,26·4,3·10^-5=0,019 ℃

Δt₂=q/ α^хол =444,26/1036=0,429 ℃

Проверка:

Δt_ср =Δt₁+Δt_ст+Δt₂=66,492+0,019+0,429 =66,94

Тогда

t_ст1= t₁ – Δt₁=110-66,492=43,508℃

t_ст2= t₂ – Δt₂=14,93+0,492=14,429℃

Определение поправки для для воды при t_ст2=14,429℃









По уточненным значениям:

Вт/(м² · К).

уточнённое значение поверхности теплообмена первой зоны:



Расчет коэффициента теплопередачи для второй зоны теплообмена в случае охлаждения конденсата

Во второй зоне теплообмен находятся две жидкости: конденсат и охлаждающий раствор, в дальнейших расчётах необходимо вычислять коэффициент теплоотдачи для обеих жидкостей.

Плотность конденсата при 33,76℃:



Определение скорости конденсата



Критерий Рейнольдса для конденсата при 33,76℃:



Режим течения ламинарный Re ≤ 2300.

Для данного режима критерий Нуссельта определяется по уравнению (3). Критерий Прандтля и Грасгофа находим по формулам 4 и 5:





При t=33,76℃

=



Nu=0,15·1,05·76,053^0,33·5,034^0,43·(2,163·10⁸)^0,1·0,9995=8,55

По формуле (2) находим значение коэффициента теплоотдачи со стороны конденсата:



Коэффициент теплоотдачи холодного теплоносителя.

из формул 4 и 5 получаем:





При температуре стенки, равной 65 ℃, множитель в уравнении 8 равен 1,47. По формуле 9 найдем число Нуссельта:

Nu = 0,15 · 1012,6^0,33 · 8,366^0,43 · (1,88 · 10⁸)^0,1 · 1,47 = 36,249.

По формуле (2) находим коэффициент теплоотдачи холодного теплоносителя:



Коэффициент теплоотдачи в вертикальном конденсаторе от плёнки конденсата:



Где ΔH – теплота конденсации, Дж/кг;

ρ – плотность конденсата, кг/м³;

g – ускорение свободного падения,

λ – коэффициент теплопроводности конденсата, Вт/(м·град);

h – высота труб, м;

μ – вязкость конденсата, Па·с;

Δt – средняя температура конденсата



Приблизительно значение коэффициента теплопередачи составляет:

Вт/(м² · К).

По формуле (1) найдем приблизительное значение поверхности теплообмена первой зоны:



Определение ориентировочного значения для температур стенок

q =K_приб2· Δt_ср2=374,355·33,76=12640 Вт/м²

Δt₁=q/ α^гор =12640/591,419=21,369 ℃

Δt_ст=q =12640·4,3·10^-5=0,543 ℃

Δt₂=q/ α^хол =12640/1067=0,419 ℃

Проверка:

Δt_ср =Δt₁+Δt_ст+Δt₂=21,369+0,543+0,413=33,76

Тогда

t_ст1= t₁ – Δt₁=110-21,396=88,631℃

t_ст2= t₂ – Δt₂=1+0,412=1,419℃

Определение поправки для для воды при t_ст2=1,419℃









По уточненным значениям:

Вт/(м² · К).

уточнённое значение поверхности теплообмена первой зоны:



Общая поверхность теплообмена:

F=F₁`+F<sub>2</sub>`=530,473+21,708=552,181 м²

Ориентировочно у выбранного конденсатора оказалась занижена поверхность теплообмена. По значению площади поверхности теплообмена выберем подходящий теплообменник (по ГОСТ 15119-79, ГОСТ 15121-79). Его параметры представлены в таблице 6.

Таблица 6 – Параметры кожухотрубчатого теплообменника

Параметр аппарата	Величина	Единица измерения
Поверхность теплообмена, F	582	м²
Диаметр кожуха внутренний, D	1200	мм
Диаметр труб и толщина стенки, d×δ	20х2	мм
Общее число труб, 𝑛об	1544	шт
Площадь сечения одного хода по трубам, S	0,049	м²
Длина труб, L	6	м
Число ходов, z	6	-

Далее проводим сопоставление выбранного варианта нормализированного теплообменника с расчётным по величине коэффициента запаса площади теплообмена β:



Допускается превышение стандартной площади поверхности нормализированного теплообменника над расчетной не более чем на 20%.
Из приведённых выше расчётов был выбран конденсатор с конструкционными характеристиками, представленными в таблице 6, с коэффициента запаса площади теплообмена 5%.

Расчёт деталей аппарата

Расчёт толщины цилиндрической обечайки.

Производим расчёт обечайки на внутренне давление. Расчётную температуру обечайки принимаем равной температуре рабочей среды t^в_ст=110℃.

Отношение



номинальная расчётная толщина стенки обечайки [12]



где p – расчетное давление, МПа;

D – внутренний диаметр обечайки, мм;

[σ]_доп – допускаемое напряжение, МПа;

φ – коэффициент прочности сварного шва;

Производим расчет обечайки на наружное давление. Расчётное наружное давление принимаем р_н=0,6 Мн/м².



За расчётную принимаем меньшую номинальную расчётную толщину стенки обечайки s`=16 мм.

Прибавка на коррозию с внутренней стороны аппарата исходя из срока службы 10 лет составляет С_к = 0,1·10 =1 мм. Расчётная толщина стенки обечайки с учётом прибавки на коррозию

s`=16+1=17мм

наружный диаметр обечайки:

D_н=D_в+2s=1200+2·17=1234 мм

Проверим напряжения в стенке обечайки с учётом температурного перепада по толщине стенки.

Коэффициент толстостенности обечайки



Температурное напряжение на внутренней поверхности стенки





Температурное напряжение на наружной поверхности стенки



суммарное напряжение на внутренней поверхности стенки при внутреннем давлении:



Что < следовательно допустимо.

Расчёт эллиптического днища

В кожухотрубчатых теплообменниках применяют стандартные плоские и эллиптические днища.

Номинальная расчётная толщина стенки днища:



прибавка на коррозию для днища аппарата, работающего не менее 10 лет составляет С_к = 0,1·10 =1 мм. Прибавка на округление С₀=1,9 мм. Расчётная толщина стенки днища с учётом всех прибавок

s`=3,1+1+1,9 = 6мм

Параметры эллиптического днища для диаметра 1200 мм приведены в таблице 8.

Таблица 8 – Параметры эллиптического отбортованного днища (ГОСТ 6533-68)

Dв, мм	Dн, мм	Высота борта h, мм	Высота днища hв, мм	F, м2	V, м3	m, кг
1200	1461	25	300	1,66	0,255	78,9

Расчёт трубных решёток

В теплообменниках типа Н трубы размещают по вершинам равносторонних треугольников. Значения шага (расстояния между осями труб) определяется наружным диаметром труб:

При d_н = 20, шаг труб t_р = 1,3 · d_н =1,3·0,02 = 0,026 мм.



снаружи с учётом прибавок на коррозию

h=18,5+10·0,1=19,5

коэффициент ослабления решётки отверстиями



номинальная расчётная высота решётки посередине



учётом прибавок на коррозию

h`=58+1=59 мм

Опоры

Опорные стойки для вертикальных аппаратов состоят из двух вертикальных косынок и горизонтального основания.

Приваривают опоры непосредственно к корпусу теплообменника или к накладному листу прямоугольной формы для обеспечения жесткости корпуса в месте присоединения опоры.

Размеры опорных стоек выбирают в зависимости от нагрузки Q на одну опору. Общую нагрузку на опоры теплообменника при гидравлическом испытании водой находят по уравнению:

m1 – масса всех труб: m1 = Fт1 ∙ lтр ρм= 0,106·6·7920 = 5017,77кг

m2 – масса обечайки корпуса: m2 =Fк1 ·lк · ρм=0,0346 · 6 · 7920 =1645,43 кг;

m3 масса днищ m3=78,9·2=157,8 кг m4 – масса трубных решеток:

;

Масса пустого аппарата составит:

m = m₁ + m₂ + m₃ + m₄= 5017,77+1645,43+157,8+614,1=7646,1кг.

Объем трубного пространства и объем межтрубного пространства составляют, м²:

объём днищ (таблица 8)

V_дн = 0,255 м³

Объём, заполненый хладагентом

V_хлад=V_тр+2 V_дн =1,86+2·0,255=2,37 м³

Тогда общая нагрузка на опоры при гидравлическом испытании составит:

Q = 0,001 · [m + (V_хлад + V_мт) · ] · g =

0,001 · [7646,1 + (2,37 +4,92) · 1177,5] · 9,81 = 159,31 кН.

Для вертикальных аппаратов с эллиптическим днищем необходимо использовать в качестве опор стойки, количество которых должно быть не менее трёх. Нагрузка, приходящаяся на одну стойку

Q =Q_общ /3=159,31/3=53,1 кН

подходящими характеристиками обладают опоры с допускаемой нагрузкой Q=63,0 кН. Размеры опорных лап для данной нагрузки представлены в таблице 9.

Таблица 9 – Конструктивные размеры опорных стоек, мм

Q,	63,0	c	40	K	15
a	185	c1	120	K1	150
a1	245	hmax	515	d	35
b	210	h1	24	dБ	M35
b1	280	s1	14

где a – расстояние между косынками;

a₁ – ширина основания;

b – длина основания;

b₁ – длина косынки;

h_max – высота опоры;

h₁ – высота основания;

d – диаметр отверстия.

Рассчитаны основные параметры деталей аппарата: толщины стенок с учётом коррозии, габариты деталей. Подобраны основные детали аппарата: обечайка, трубные решетки, днища, опоры; рассчитана масса аппарата.