курсовой проект Бугаёвой. Курсовой проект по пахт разработать конструкцию и рассчитать конденсатор для охлаждения и конденсации газового потока состава 50 H

• Название: Курсовой проект по пахт разработать конструкцию и рассчитать конденсатор для охлаждения и конденсации газового потока состава 50 H
• Дата: 06.05.2021
• Размер: 1.24 Mb.
• Имя файла: курсовой проект Бугаёвой.docx
• Тип: Курсовой проект; #202308
• страница: 6 из 9

2.3 Тепловой расчет

Найдем теплоту входящего потока веществ, которая определяется теплотой входящего газового потока и теплотой конденсации веществ:



где – теплота, подводимая парами воды в аппарат, кВт;

– теплота, подводимая парами фтороводорода в аппарат, кВт;

– теплота, подводимая воздухом в аппарат, кВт;

– теплота, поступающая за счет конденсации паров воды, кВт;

– теплота, поступающая за счет конденсации паров фтороводорода, кВт;
Таблица 2 – Удельная теплоёмкость входящих веществ при t_вх и t_вых.

Вещество	Ср при 378К, кДж/кг∙К	Ср при 288К (газы), кДж/кг∙К	Ср при 288К (жидкости), кДж/кг∙К
H2O	2,150	1,873	4,178
NH3	2,20	2,04	4,70
Воздух	1,015	1,022

Таблица 3 – Удельная теплота испарения

Компоненты	ΔHф.п.i, кДж/кг
H2O	2260
NH3	1370

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, имеем:

=7,35·2,150·378 = 5973,345 кДж/ч = 1,66 кВт;

=7,3·2,20·378 = 6070,68 кДж/ч = 1,69 кВт;

= 3,05·1,02·378 = 1175,96 кДж/ч = 0,33 кВт.

Теплота конденсации паров определяется по формуле:

Qкондi= ΔHф.п.i · Gi , (2)

где Qкондi – 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:

2260·7,006 = 15833,56 кДж/ч = 4,40 кВт;

1370·6,935 =9500,95 кДж/ч = 2,64 кВт;

= 1,66 + 1,69 + 0,33 + 4,40 + 2,64 = 10,72 кВт.

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

,

где – теплота, удаляемая парами воды из аппарата, кВт;

– теплота, удаляемая парами аммиака из аппарата, кВт;

– теплота, удаляемая воздухом из аппарата, кВт;

– теплота, удаляемая жидкой водой из аппарата, кВт;

– теплота, удаляемая жидким аммиаком из аппарата, кВт;

Считаем теплоты удаляемых веществ по формуле (1), при этом подставляем температуру, при которой вещества удаляются из аппарата (288К):

=0,37·1,873·288 = 199,59 кДж/ч = 0,055 кВт;

= 0,365·2,04·288 = 214,44 кДж/ч = 0,059 кВт;

= 3,05·1,022·288 = 897,72 кДж/ч = 0,25 кВт;

= 7,006·4,178·288 = 8430,07 кДж/ч = 2,34 кВт;

=6,935·4,70·288=9387,22кДж/ч = 2,60 кВт;

= 0,055 + 0,059 + 0,25 + 2,34 + 2,60 = 5,304 кВт.

Найдем разность между теплотой входящих и исходящих веществ:

− = 10,72 – 5,304 = 5,416 кВт.

Это количество теплоты будет отводиться охлаждающей водой. Зная это значение, можно найти массовый и объемный расход охлаждающего CaCl₂ вод:





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 удаляемы газообразных продуктов, кДж/ч
	H2O	1,66	15,48			H2O		0,055		0,51
	NH3	1,69	15,76			NH3		0,059		0,55
	воздух	0,33	3,07			воздух		0,25		2,33
2	Тепло фазового перехода (конденсации), кДж/ч			2		Тепло удаляемых жидких продуктов, кДж/ч
	H2O	4,40	41,04			H2O		2,34		21,82
	NH3	2,64	24,62			NH3		2,60		24,25
				3		Тепло, отводимое теплоносителем (хлорид кальция в воде), кДж/ч
						CaCl2(aq)		5,416		50,52
				4		Потери тепла, кДж/ч
								1,072		10,00
Итого		10,72	100		Итого			10,72		100

Тепловой баланс сошелся. Потери тепла составили 1,072 кДж/ч

Определим требуемую поверхность теплообмена по уравнению теплопередачи:

(3)

где F – площадь поверхности теплообмена, м²;

K – коэффициент теплопередачи, Вт/(м² час);

Q – тепловой поток в аппарате, Вт/ч;

– средняя разность температур между теплоносителями, К.

– температурный напор;

Δt_б и ∆t_м – большая и меньшая разности температур на концах теплообменника.

Δt_б = 378 – 288 = 90 К;

∆t_м = 323 – 276 = 47 К;

∆t_ср = 66 К;

Средние температуры теплоносителей:



Для нахождения коэффициента теплопередачи на первом этапе принимаем ориентировочное значение коэффициента теплопередачи К_ор и рассчитываем ориентировочное значение поверхности теплообмена по уравнению 3. После этого по ориентировочному значению поверхности теплообмена подбираем нормализированный теплообменник, а затем проводим уточнённый расчёт коэффициентов теплоотдачи, теплопередачи и площади требуемой поверхности.

Примем К_ор = 120 Вт/(м²·К), тогда



По значению площади поверхности теплообмена выберем подходящий теплообменник (по ГОСТ 15118-79, ГОСТ 15120-79). Его параметры представлены в таблице 5.

Таблица 5 – Параметры кожухотрубчатого теплообменника

Параметр аппарата	Величина	Единица измерения
Поверхность теплообмена, F	1,5	м²
Диаметр кожуха внутренний, D	159	мм
Диаметр труб и толщина стенки, d×δ	25×2	мм
Общее число труб, 𝑛об	13	шт
Площадь проходного сечения по трубам, S	0,01	м²
Длина труб, L	1,5	м
Число ходов, z	1	-

Рассчиваем критерий Рейнольдса для охлаждающей воды по формуле:

,

(4)

где ω – линейная скорость жидкости, м/с;

d_нар – наружный диаметр труб, м;

ρ – плотность вещества, кг/м³;

μ – вязкость вещества, Па/с.

Скорость рассчитываем по формуле:

,

(5)

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

ρ – плотность вещества, кг/м³;

S – площадь сечения одного хода по трубам, м².

Находим критерий Рейнольдса по уравнению 4, пользуясь данными таблицы 5:



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

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

Коэффициент теплоотдачи холодного теплоносителя найдем по формуле:

,

(7)

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

Nu – критерий Нуссельта, при ламинарном режиме движения

(8)

где Re – критерий Рейнольдса (уравнение 4);

Pr – критерий Прандтля, находим по формуле:

(9)

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:

(10)

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 9 и 10 получаем:





При температуре стенки, равной 328 К, множитель в уравнении 8 равен 1,43. Приняв значение множителя близким к 1,5, по формуле 9 найдем число Нуссельта:

Nu = 0,15 · 77,8^0,33 · 8,356^0,43 · (1,88 · 10⁸)^0,1 · 1,5 = 15,8.

По формуле 7 находим коэффициент теплоотдачи холодного теплоносителя:



Приблизительно значение коэффициента теплопередачи составляет:



Приблизительное значение коэффициента теплопередачи составляет:

К_прибл = 114 Вт/(м² · К).

По формуле 3 найдем приблизительное значение поверхности теплообмена:


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



Допускается превышение стандартной площади поверхности нормализированного теплообменника над расчетной не более чем на 20%.