МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИУКРАИНЫ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ВЫСШЕЕ УЧЕБНОЕЗАВЕДЕНИЕ
ДОНЕЦКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙУНИВЕРСИТЕТ
Кафедра промышленной теплоэнергетики
КУРСОВОЙ ПРОЕКТ
По курсу: «Теплотехнические процессы иустановки»
На тему: Расчет тарельчатойректификационной колонны
Выполнил: ст.гр.ЭНМ-07
Гуляева А.В.
Проверил: доц.Яковлева В.А.
Донецк 2010
РЕФЕРАТ
Страниц —; Частей —;Таблиц —; Рисунков —; Источников — ;
Целью теплового расчетаявляется определение поверхности теплообмена, а если последняя известна, тоцелью расчета является определение конечных температур рабочих жидкостей.Основными расчетными уравнениями теплообмена при стационарном режиме являютсяуравнение теплопередачи и уравнение теплового баланса.
Производится расчёттеплообменных аппаратов двух типов: кожухотрубчатого и пластинчатого.
ТЕПЛООБМЕННИК,КОЖУХОТРУБЧАТЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК, ПЛАСТИНЧАТЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК, ГИДРАВЛИЧЕСКОЕСОПРОТИВЛЕНИЕ.
СОДЕРЖАНИЕ
ВВедение
1 Теплообменные аппараты
1.1 Теплообменники типа «труба втрубе»
1.2 Пластинчатыетеплообменники
1.3 Спиральныетеплообменники
1.4 Блочные графитовыетеплообменники
2 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ АППАРАТов
2.1 Расчет кожухотрубчатоготеплообменника16
2.2Расчетгидравлического сопротивления кожухотрубчатых теплообменников
2.3 Расчетпластинчатого теплообменника2
2.4 Расчет гидравлического сопротивленияпластинчатых теплообменников
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Список литературы
ВВЕДЕНИЕ
Теплообменнымиаппаратами называют устройства, предназначенные для передачи тепла от одноготеплоносителя к другому, а также осуществления различных технологических процессов:нагревание, охлаждения, кипения, конденсации и др.
Теплообменные аппаратыклассифицируются по различным признакам. Например, по способу передачи тепла ихможно разделить на две группы: поверхностные (рекуперативные и регенеративные)и смешения. Требования к промышленным теплообменным аппаратам в зависимости отконкретных условий применения весьма разнообразны. Основными требованиями являются:обеспечение наиболее высокого коэффициента теплопередачи при возможно меньшемгидравлическом сопротивлении; компактность и наименьший расход материалов,надежность и герметичность в сочетании с разборностью и доступностьюповерхности теплообмена для механической очистки её от загрязнений; унификацияузлов и деталей; технологичность механизированного изготовления широких рядовповерхностей теплообмена для различного диапазона рабочих температур, давленийи т. д.
При созданиях новых,более эффективных теплообменных аппаратов стремятся, во-первых, уменьшитьудельные затраты материалов, труда, средств и затрачиваемый при работе энергиипо сравнению с теми же показателями существующих теплообменников. Удельнымизатратами для теплообменных аппаратов называют затраты, отнесенные к тепловойпроизводительности в заданных условиях, во-вторых, повысить интенсивность иэффективность работы аппарата. Интенсивностью процесса или удельной тепловойпроизводительностью теплообменного аппарата называется количество теплоты,передаваемого в единицу времени через единицу поверхности теплообмена призаданном тепловом режиме.
Интенсивность процессатеплообмена характеризуется коэффициентом теплопередачи k. На интенсивность иэффективность влияют также форма поверхности теплообмена; эквивалентный диаметри компоновка каналов, обеспечивающие оптимальные скорости движения сред;средний температурный напор; наличие турбулизирующих элементов в каналах;оребрение и т. д. Кроме конструктивных методов интенсификации процессатеплообмена существует режимные методы, связанные с изменениемгидродинамических параметров и режима течения жидкости у поверхноститеплообмена. Режимные методы включают: подвод колебаний к поверхноститеплообмена, создание пульсации потоков, вдувание газа в поток либо отсосрабочей среды через пористую стенку, наложении электрических или магнитныхполей на поток, предотвращения загрязнений поверхности теплообмена путем сильнотурбулизации потока и т. д.
1ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ
1.1Теплообменники типа «труба в трубе»
Принебольших тепловых нагрузках, когда требуемая поверхность теплообмена непревышает 20—30 м2, целесообразно применение теплообменников типа«труба в трубе». Такие теплообменники изготовляют следующих типов: 1)неразборные однопоточные малогабаритные; 2) разборные одно- и двухпоточныемалогабаритные; 3) разборные однопоточные; 4) неразборные однопоточные; 5)разборные многопоточные.
Неразборныйтеплообменник типа «труба в трубе» изображен на рис. 1. Эти теплообменникимогут иметь один ход или несколько (обычно четное число) ходов.
/>
Рнс.1.1 Неразборный теплообменник типа «труба в трубе»:
/— теплообменная труба; 2— кожуховая труба; 3 — калач
/>
Рис.1.2. Разборный однопоточный малогабаритный (dHдо 57 мм) теплообменник типа «труба в трубе»:
/— теплообменная труба; 2 — распределительная камера для наружноготеплоносителя; 3 — кожуховая труба; 4 — крышка
Конструкцииразборных теплообменников показаны по рис. 1.2 и 1.3. Однопоточныймалогабаритный теплообменник (рис.1.2) имеет распределительную камеру длянаружного теплоносителя, разделенную на две зоны продольной перегородкой. Вкрышке размещен калач, соединяющий теплообменные трубы. Кожуховые трубыкрепятся в трубных решетках, теплообменные трубы герметизируются с помощьюсальниковых уплотнений. Однопоточные разборные теплообменники из труб большогодиаметра (более 57 мм) выполняются без распределительной камеры, так как штуцердля подвода наружного теплоносителя можно приварить непосредственно к кожуховымтрубам.
Двухпоточныйразборный теплообменник (рис.1.3) имеет две распределительные камеры, а вкрышке размещены два калача. Поверхность теплообмена и проходные сечения длятеплоносителей при прочих равных условиях в два раза больше, чем в однопоточномтеплообменнике. Многопоточные теплообменники типа «труба в трубе» принципиальноне отличаются от двухпоточных. Поверхности теплообмена и основные параметрынормализованных теплообменников типа «труба в трубе» приведены в табл. 1.1 и1.2.
/>
Рис.1.3. Разборный двухпоточный малогабаритный (dндо 57 мм) теплообменник типа «труба в трубе»:
1,2— распределительныекамеры соответственно для внутреннего и наружного теплоносителя; 3 —кожуховая труба; 4 — теплообменная груба; 5 — крышка
Таблица1.1. Поверхности теплообмена и основные параметры неразборных и разборныходнопоточных и двухпоточных теплообменников типа «труба в трубе» Число
Поверхность теплообмена (в t, Диаметр теплооб- Число парал- теплообмен-ных труб в по
наружному диаметру
TDV6, М при длине Диаметр ** труб менных лельных одном кожуха, мм труб, мм потоков анпарате, шт. 1,5 3,0 4,5 6,0 9,0 12.0 25X3 1 1* 0,12 0,24 0,36 0,48 57X4 1 2 0,24 0,48 0,72 0,96 __ __ 2 4 0,48 0,96 1,44 1.92 — — 38X3,5 1 I* 0,18 0,36 0,54 0,72 — — 57X4; 76X4; 2 2 0,36 0.72 1,08 1,44 — — 89X5 2 4 0,72 1,44 2,16 2,88 __ __ 48X4 1 1* 0,23 0,45 0,68 0,90 __ __ 76X4; 89X5; 1 2 0,46 0,90 1,36 1,80 — — 108x4 2 4 0,92 1,80 2,72 3.60 __ __ 57X4 1 1* 0,27 0,54 0,81 1,08 — — 89X5; 108X4 1 2 0,54 1,08 1,62 2,16 __ __ 2 4 1,08 2,16 3,24 4,32 __ __ 76X4 1 1* — — — 1.43 2,14 2,86 108X4; 133X4 2 — — 2,14 2,86 4,28 — 89X5 1 1* — — — 1,68 2,52 3,36 133X4; 159X4,5 2 — — 2,52 3,36 5,04 — 108X4 1 1* — — — 2.03 3,05 4,06 159X4,5; 219X6 2 __ — 3,05 4,06 6,10 --- 133X4 1 1* — — — 2,50 3,75 5,0 219X6 2 — — 3,76 5,0 7,50 — 159X4,5 1 1* — — __ 3,0 4,5 6,0 219x6 2 — — 4,5 6,0 9,0 —
*Относится к одному ходу неразборных теплообменников.
**Толщины труб указаны для условных давлений не выше 1,6 МПа.
Таблица1.2. Поверхности теплообмена и основные параметры разборных многопоточныхтеплообменников типа «труба в трубе»*
Число
параллель-ных
потоков
Поверхность теплообмена (м2)
при длине труб, м
Площадь сечений потоков 104 м2 Число труб в одном внутри в кольцевых аппарате, шт. 3,0 6,0 9,0 тепло-обменных зазорах межтрубного труб пространства 3 6 3 6 38 92 5 10 5 10 --- 63 154 7 14 --- 14 21 88 216 12 24 — 24 36 151 371 22 44 — 44 66 277 680
*Диаметр теплообменных труб 48X4 мм, диаметр кожуховых труб 89X5 мм.
Допускаютсятакже теплообменные трубы диаметром 38X3,5 и 57X4 мм и кожуховые трубыдиаметром 108X4 мм прн тех же длинах. Предельные условные давлениятеплоносителей 1,6 и 4,0 МПа.
1.2Пластинчатые теплообменники
В пластинчатыхтеплообменниках поверхность теплообмена образована набором тонких штампованныхгофрированных пластин. Эти аппараты могут быть разборными, полуразборными инеразборными (сварными). В пластинах разборных теплообменников (рис. 1.4)имеются угловые отверстия для прохода теплоносителей и пазы, в которыхзакрепляются уплотнительные и компонующие прокладки из специальных
/>
Рис.1.4.Пространственная схема движения теплоносителей (а) и условная схема компоновкипластин (б) в однопакетном пластинчатом разборном теплообменнике:
/— неподвижная плита; 2 — теплообменная пластина; 3 — прокладка; 4— концевая пластина; 5 — подвижная плита
термостойкихрезин. Пластины сжимаются между неподвижной и подвижной плитами таким образом,что, благодаря прокладкам между ними, образуются каналы для поочередногопрохода горячего и холодного теплоносителей. Плиты снабжены штуцерами дляприсоединения трубопроводов. Неподвижная плита крепится к полу, пластины иподвижная плита закрепляются в специальной раме. Группа пластин, образующихсистему параллельных каналов, в которых данный теплоноситель движется только водном направлении (сверху вниз или наоборот), составляет пакет. Пакет посуществу аналогичен одному ходу по трубам в многоходовых кожухотрубчатыхтеплообменниках.
Нарис. 1.5 даны примеры компоновки пластин. При заданном расходе теплоносителяувеличение числа пакетов приводит к увеличению скорости теплоносителя, что интенсифицируеттеплообмен, но увеличивает гидравлическое сопротивление.
/>
/>
Рис.1.5. Примеры компоновки пластин:
а — симметричнаядвухпакетная схема; б — несимметричная схема (три пакета для горячеготеплоносителя два — для холодного)
Таблица1.3. Поверхность теплообмена и основные параметры разборных пластинчатыхтеплообменников (по ГОСТ 15518—83)
Поверхность теплообмена F (м2), число пластин N (шт.) и масса аппарата М (кг) при поверхности одной пластины f (м2) / = 0,2 / = 0,3 / = 0,5* / = 0,6 /=1.3
F
N
М
F
N
М**
F
N
М***
F
N
М**
F
N
М 1 8 570 3 12 280 31,5 64 1740 10 20 960 200 156 5 350 2 12 590 5 20 315 50 100 2010 16 30 1030 300 232 6 470 5 28 650 8 30 345 63 126 2200 25 44 ИЗО 400 310 7610 6,3 34 670 10 36 365 80 160 2460 31,5 56 1220 500 388 11 280 10 52 750 12,5 44 400 100 200 2755 40 70 1300 600 464 12 430 12,5 66 800 16 56 440 140 280 3345 50 86 1400 800 620 14 740 16 84 1340 20 70 485 160 320 4740 63 108 1530 _ _ _ 25 128 1480 — — — 220 440 5630 80 136 1690 — _ __, 31,5 160 1600 — — — 280 560 6570 100 170 1900 _ _ _ 40 204 1750 — — _ 300 600 6810 140 236 2290 _ _ _ — — — — — — 320 640 7100 160 270 2470 _ _ _ — — — — — — — — — 200 340 3920 — — _ — — — — — — — — — 250 420 4400 _ _ _ — _ _ _ _ _ _ _ _ 300 504 4890 _ _ _
*Теплообменники со сдвоенными пластинами (полуразборные).
**Для слабо агрессивных и нейтральных сред со скоростью коррозии металла менее0,05 мм в год (для агрессивных сред масса больше в среднем на 8—10 %).
***Длядавлений до 1,6 МПа.
Приоптимальной компоновке пластин число пакетов для горячего и холодноготеплоносителя может быть неодинаковым (как на рис.1.5, б). В условномобозначении схемы компоновки число слагаемых в числителе соответствует числупакетов (последовательных ходов) для горячего теплоносителя, в знаменателе —для холодного; каждое слагаемое означает число параллельных каналов в пакете (вконденсаторах однопакетная компоновка пластин по ходу пара).
Вполуразборных теплообменниках пластины попарно сварены, доступ к поверхноститеплообмена возможен только со стороны хода одной из рабочих сред.
Разборныеаппараты могут работать при давлении 0,002—1,0 МПа и температуре рабочих средот' —20 до +180°С, полуразборные — при давлении 0,002—2,5 МПа и той жетемпературе; неразборные (сварные) аппараты могут работать при давлении0,0002—4,0 МПа и температуре от — 100 до +300 °С.
Разборныетеплообменники изготовляют по ГОСТ 15518—83 в трех исполнениях: I— на консольной раме, II— на двухопорной раме, III— на трехопорной раме.
Таблица1.4. Конструктивные характеристики разборных пластинчатых теплообменников (поданным /8/)Характеристики
Площадь пластины, м2
0,2
0,3
0,6 1.3 Габариты пластины, мм: длина 960 1370 1375 1915 ширина 460 300 600 920 толщина * 1,0 1,0 1,0 1,0 Эквивалентный диаметр канала, мм 8,8 8,0 8,3 9,6
Поперечное сечение канала, 104 м2 17,8 11,0 24,5 42,5 Приведенная длина канала, м 0,518 1,12 1,01 1,47 Масса пластины, кг ** 2,5 3,2 5,8 12,0 Диаметр условного прохода штуцеров, мм 80; 150 65 200 300 /> /> /> /> /> /> />
*В облегченном вариантетолщина пластины может быть уменьшена до 0,5мм.
** Для пластинытолщиной 0,8 мм.
/>
Рис.1.6.Пластинчатый теплообменник на двухопорной раме: / 4 — штуцеры длятеплоносителей
Теплообменникв исполнении II показан на рис.1.6. Втабл. 1.3 и 1.4 даны поверхности теплообмена и основные параметры разборных пластинчатыхтеплообменников. Более подробные сведения о разборных, полуразборных и сварныхтеплообменниках приведены в литературе [8].
1.3Спиральные теплообменники
Вспиральных теплообменниках (рис.7) поверхность теплообмена образована двумялистами из углеродистой или коррозионно-стойкой стали, свернутыми наспециальном станке в спирали. С помощью приваренных дистанционных штифтов междулистами сохраняется одинаковое по всей спирали расстояние, равное 12 мм. Такимобразом, получаются два спиральных канала, заканчивающихся в центре двумяполуцилиндрами, отделенными друг от друга перегородкой. К периферийной частилистов приварены коробки. Каждый полуцилиндр с торцевой стороны и каждаякоробка имеют штуцер для входа или выхода теплоносителя. С торцов спирализажимают между дисками с помощью крышек. Для герметизации используют прокладкииз резины, паронита, асбеста или мягкого металла. Согласно ГОСТ 12067—80,спиральные теплообменники имеют поверхности теплообмена 10—100 м2,работают при давлениях до 1 МПа и температуре от —20 до +200 °С. Поверхноститеплообмена и основные параметры их приведены в табл. 2.5.
1.4Блочные графитовые теплообменники
Теплообменники изграфита широко распространены в химической промышленности благодаря оченьвысокой коррозионной стойкости и высокой [до 100 Вт/(м*К)] теплопроводностиграфита. Наибольшее применение находят блочные теплообменники. Основнымэлементом их является графитовый блок, имеющий форму параллелепипеда, в которомпросверлены вертикальные и горизонтальные непересекающиеся отверстия для проходатеплоносителей (рис.8). Аппарат собирают из одного или нескольких блоков. Спомощью боковых металлических плит в каждом блоке организуется двухходовоедвижение теплоносителя по горизонтальным отверстиям. Теплоноситель, движущийсяпо вертикальным каналам в теплообменниках, собранных из блоков размером350X515X350 мм3 (второе число — длина горизонтальных каналов), можетсовершать один или два хода, в зависимости от конструкции верхней и нижнейкрышек. В аппаратах, собранных из блоков с увеличенными боковыми гранями(350X700X350), теплоноситель, движущийся по вертикальным каналам, можетсовершать два или четыре хода.
Таблица1.5. Поверхности теплообмена и основные параметры спиральных теплообменников(по ГОСТ 12067—80)
t. м Толщина листа, мм Ширина листа, м Длина канала, м
Площадь сечения канала, 10' м2 Масса теплообменника, кг, не более
d штуцеров
для жидких
теплоносителей,
мм 10,0 3,5 0,4 12,5 48 1170 65 12,5 3,5 0,4 15,6 60 1270 65 16,0 3,5 0,5 16,0 60 1480 65 20,0 3,5 0,4 25,0 48 1770 100 20,0 4,0 0,7 14,3 84 1620 100 25,0 3,5 0,5 25,0 60 2270 100 25,0 4,0 0,7 17,9 - 84 1970 100 31,5 3,5 0,5 31,5 60 2560 100 31,5 4,0 0,7 22,5 84 2560 100 40,0 3,9 1,0 20,0 120 2760 100 40,0 4,0 0,7 28,6 84 3160 100 50,0 3,9 1,0 25,0 120 3460 150 50,0 6,0 1,1 22,7 138 3960 150 63,0 3,9 1,0 31,5 120 4260 150 63,0 6,0 1,1 28,6 138 4760 150 80,0 3,9 1,0 40.0 120 5450 150 80,0 6,0 1.1 36,4 138 5450 150 100,0 3,9 1,0 50,0 120 5960 150 100.0 4,0 1,25 40,0 150 5960 150 /> /> /> /> /> /> /> /> />
/> />
Рис.1.7. Спиральный теплообменник
/>
Рис.1.8. Схема блочного (из двух блоков) графитового теплообменника:
/— графитовый блок; 2 — вертикальные каналы; 3 — горизонтальныеканалы; 4 — корпус.
Таблица1.6. Поверхности теплообмена и основные параметры блочных графитовыхтеплообменников (по данным [12]) Каналы в блоке Цена за штуку, руб.
Число
F, м2 блоков, горизонталь- вертикальные одна агрессив- две агрессивные
шт. ные, число шт. диаметр. число, ная среда среды
мм шт.
Блоки 350X515X350 мм
5,4 2 126 28 84 835 1090
7,2 2 180 12 252 835 1090
10,8 4 126 28 84 1520 2030
14,4 4 180 12 252 1520 2030
16.2 6 126 28 84 2185 2950
21,6 6 180 12 252 2185 2950
Блоки 350X700X350 мм; 2 вертикальных хода
14,6 4 126 28 108 2115 2705
19,6 4 180 12 324 2060 2725
21,9 6 126 28 108 2900 4126
29,4 6 180 12 324 2910 3955
Блоки 350X700X350 мм; 4 вертикальных хода
13,4 4 126 28 96 __ 2585
19,0 4 180 12 324 __ 2725
20,1 6 126 28 96 __ 3780
28,5 6 180 12 324 — 3850 /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> />
*Диаметр горизонтальных каналов 12 мм.
Блочныеграфитовые теплообменники можно использовать для теплообмена между средами,одна из которых коррозионно-активна. Если коррозионно-активны обе среды,боковые плиты защищают специальными графитовыми вкладышами.
Поверхноститеплообмена и основные параметры блочных графитовых теплообменников всоответствии с данными [12] приведены в табл.1.6.
2РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ
2.1Расчет кожухотрубчатого теплообменника
Рассчитатьи подобрать нормализованный кожухотрубчатый теплообменник для теплообмена междудвумя водно-органическими растворами. Горячий раствор в количестве G1=6,0кг/с охлаждается от t1н=112,5 °С до t1к= 40°C. Начальная температурахолодного раствора (G2= 21,8 кг/с) равна t2н=20«С. Оба раствора — коррозионно-активные жидкости с физико-химическимисвойствами, близкими к свойствам воды. Горячая жидкость при средней температуреt1=76,3°Симеет следующие физико-химические характеристики: p1=986кг/м3; λ1=0.662 Вт/(м*К); µ1 = = 0.00054Па*с;
с1=4190 Дж/(кг*К).
Расчеттеплообменника проводят последовательно в соответствии с общей блок-схемой (см.рис. 2.2).
— Определение тепловой нагрузки:
Q = 6,0 • 4190 (112,5 — 40) = 1 822650 Вт.
— Определение конечной температуры холодного раствора из уравнения тепловогобаланса:
t2к = t2н + Q/(G2C2) =20+1 822 650/(21,8 ∙ 4180)=40,0 °С
где4180 Дж/(кг∙К) — теплоемкость с2 холодного раствора при егосредней температуре t2= 30°С. Остальные физико-химические свойства холодной жидкости при этой температуре:р2=996 кг/м3; λ2=0,618 Вт/(м-К); µ2=0,000804 Па-с.
— Определение среднелогарифмнческой разности температур:
∆tсрлог= [(112,5 — 40) — (40 —20)]/ln(72,5/20) =40,8 град.
— Ориентировочный выбор теплообменника. Решение вопроса о том, какойтеплоноситель направить в трубное пространство, обусловлено его температурой, давлением,коррозионной активностью, способностью загрязнять поверхности теплообмена,расходом и др. В рассматриваемом примере в трубное пространство с меньшимпроходным сечением (см. параметры многоходовых теплообменников в табл. 1.3)целесообразно направить теплоноситель с меньшим расходом, т. е. горячийраствор. Это позволит выровнять скорости движения теплоносителей исоответствующие коэффициенты теплоотдачи, увеличивая таким образом коэффициенттеплопередачи. Кроме того, направляя поток холодной жидкости в межтрубноепространство, можно отказаться от теплоизоляции кожуха теплообменника.
Примемориентировочное значение Re1oр=15000, что соответствует развитому турбулентному режиму течения в трубах.Очевидно, такой режим возможен в теплообменнике, у которого число труб,приходящееся на один ход, равно:
длятруб диаметром dH= 20x2 мм
/>
длятруб диаметром dH= 25X2 мм
/>
Посколькув данном примере свойства теплоносителей мало отличаются от свойств воды,примем минимальное ориентировочное значение коэффициента теплопередачи,соответствующее турбулентному течению (см. табл. 1.1): Кор=800 Вт/(м2∙К).При этом ориентировочное значение поверхности теплообмена составит
Fop= 1 822 650/(40,8∙800)=55,8 м2.
Каквидно из табл. 2.3, теплообменники с близкой поверхностью имеют диаметр кожуха600—800 мм. При этом только многоходовые аппараты с числом ходов z=4или 6 имеют соотношения n/z,близкиек 50.
Вмногоходовых теплообменниках средняя движущая сила несколько меньше, чем в одноходовых,вследствие возникновения смешанного взаимного направления движениятеплоносителей. Поправку для среднелогарифмической разности температуропределим по уравнению (1.7):
/>; />
/>
/>
/>
=0,813
∆tср= 40,8 ∙0,813 = 33,2 град.
Сучетом поправки ориентировочная поверхность составит:
Fop = 1 822 650/ (33,20 •800) =68,7 м2.
Теперьцелесообразно провести уточненный расчет следующих вариантов (см. табл. 2.3):
1К:D=600 мм; dH= 25X2 мм; z=4;n/z=206/4=51,5;
2К:D = 600 мм; dH= 20X2 мм; z=6;n/z= 316/6 = 52,7;
ЗК:D=800 мм; dH= 25X2 мм; z=6;n/z= 384/6=64,0.
5.Уточненный расчет поверхности теплопередачи.
Вариант1К:
/>
Pr = />
Всоответствии с формулой (2.12) коэффициент теплоотдачи к жидкости, движущейся потрубам турбулентно, равен:
α1=/> Вт/(м2∙К).
Поправкой(Рг/Ргст)025 здесь можно пренебречь, так как разностьтемператур t, иtст1 невелика (менее ∆tср= 33,2 град).
Площадьсечения потока в межтрубном пространстве между перегородками (см. табл. 2.3):
Sмтр= 0,045 м2; тогда
Re2= 21.8∙0,025/(0,045∙0,000804)=I5 064;
Рг2= 418О∙0,000804/0,618 = 5,44.
Всоответствии с формулой (2.16) коэффициент теплоотдачи к жидкости, движущейся вмежтрубном пространстве, составит:
α2= (0,618/0,025)∙0,24∙(15064)0,6-(5,44)0,36 =3505 Вт/(м2∙К).
Обатеплоносителя'— мало концентрированные водные растворы; поэтому в соответствиис табл. 2.2 примем термические сопротивления загрязнений одинаковыми, равными rз1=rз2=1/2900 м2∙К/Вт. Повышенная коррозионная активность этихжидкостей диктует выбор нержавеющей стали в качестве материала труб.Теплопроводность нержавеющей стали примем равной λст=17,5 Вт/(м∙К).Сумма термических сопротивлений стенки и загрязнений равна
∑δ/λ=0,002/17,5+ 1/2900+ 1/2900 = 0,000804 м2∙К/Вт.
Коэффициенттеплопередачи равен
К=1/(1/2330+1/3505+ 0,000804) =659 Вт/(м2∙К).
Требуемаяповерхность составит
F= I822 650/(33,2∙659) =83,4 м2.
Изтабл. 2.3 следует, что из выбранного ряда подходит теплообменник с трубамидлиной 6,0 м и номинальной поверхностью /г1^ = 97 м2.При этом запас
∆=(97-83.4) ∙100/83,4= 16,4%.
Массатеплообменника (см. табл. 2.8) M1к= 3130 кг.
Вариант2К.Аналогичный расчет дает следующие результаты: Re1= 16 770, α1= 3720 Вт/(м2∙К), Re2=11308,α2 = 3687 Вт/(м2∙К), К = 744 Вт/(м2∙К).F =
=74,1м2. Из табл. 2.3 следует, что теплообменник длиной 4,0 м имеет недостаточныйзапас поверхности (∆
ВариантЗК. Результаты расчета: Re1= 10 540, α1 = 1985 Вт/(м2-К),
Re2= 9694, α2 = 2707 Bt/(m2∙K), K= 596 Вт/(м2∙К), F=92,4м2. Из табл. 2.3 следует, что теплообменник с трубами длиной 4,0 м,номинальной поверхностью F3K=121м2подходит с запасом ∆ = 30,9 %. Его масса
M3K= 3950 кг больше, чем в варианте 1K,однако в полтора раза меньшая длина /с* труб выгодно отличает его отварианта 1К. Помимо большей компактности такой теплообменник должен иметьменьшее гидравлическое сопротивление в межтрубном пространстве. Стремясьполучить еще меньшую длину труб, целесообразно рассмотреть дополнительныйвариант — 4К
Варнант4К. D=800 мм, dH= 20X2 mm, z= 6, n/z= 618/6= 103.
Результатырасчета: Re1=8560, α1 =2030 Вт/(м2∙К), Re2= 7754,
α2= 2941 Вт/(м2∙К)
К=611Вт/(м2∙К),F=90,3 м2.
Изтабл. I Приложения видно, чтотеплообменник с трубами длиной 3,0 м, номинальной поверхностью F4K=116 м2 подходит с запасом ∆ = 28,5 %. Его масса M4K= 3550 кг, что на 400 кг меньше, чем в варианте ЗК.
Дальнейшеесопоставление трех конкурентоспособных вариантов (IK,ЗК и 4К) проводят по гидравлическому сопротивлению.
2.2Расчет гидравлического сопротивления кожухотрубчатых теплообменников
Гидравлическийрасчет проводят по формулам, приведенным ниже.
Втрубном пространстве перепад давления определяют по формуле (1.1), в которой длинапути жидкости равна Lz.Скоростьжидкости в трубах
ωтр=/>
Коэффициенттрения определяют по формулам (1.4) — (1.7). При ReTp>2300 его можно также определить по формуле [6]:
/>
гдеe=∆/d—относительная шероховатость труб; ∆ — высота выступовшероховатостей (в расчетах можно принять ∆ = 0,2 мм).
Коэффициентыместных сопротивлений потоку, движущемуся в трубном пространстве:
ξтр1= 1.5 — входная и выходная камеры;
ξтр2= 2,5— поворот между ходами;
ξтр3=1,0 — вход в трубы и выход из них.
Местноесопротивление на входе в распределительную камеру и на выходе из нее следуетрассчитывать по скорости жидкости в штуцерах. Диаметры штуцеров нормализованныхкожухотрубчатых теплообменников приведены в таблице.
Вмежтрубном пространстве гидравлическое сопротивление можно рассчитать поформуле:
∆ρмтр=(∑ξмтр)∙ρмтр∙ω2мтр/2
Скоростьжидкости в межтрубном пространстве определяют по формуле
ωмтр=Gмтр/(Sмтр∙ρмтр
гдеSмтp— наименьшее сечение потока в межтрубном пространстве
(см.табл. 2.3—2.5).
Коэффициентыместных сопротивлений потоку, движущемуся в межтрубном пространстве:
ξтр1=1,5 — вход и выход жидкости;
ξтр2=1,5 — поворот через сегментную перегородку;
ξтр3=3m/Re0,2мтр— сопротивление пучка труб [13, с. 455],
гдеReмтр=Gмтрdн/(Sмтрµмтр);m—число рядов труб, которое приближенно можно определить следующим образом.
Общеечисло труб при их размещении по вершинам равносторонних треугольников равно п=1 + 3а + 3а2, где а — число огибающих трубышестиугольников (в плане трубной доски). Число труб в диагонали шестиугольника bможноопределить, решив квадратное уравнение относительно а:
b=2а+l=2V(n—1)/3 + 0,25.
Числорядов труб, омываемых теплоносителем в межтрубном пространстве, приближенноможно принять равным 0,5b,т. е.
m =/>
Сопротивлениевхода и выхода следует также определять по скорости жидкости в штуцерах,диаметры условных проходов которых приведены в таблице.
Числосегментных перегородок зависит от длины и диаметра аппарата. Длянормализованных теплообменников эти числа приведены в табл. 2.7.
Расчетныеформулы для определения гидравлического сопротивления в трубном и межтрубномпространствах окончательно принимают вид:
/>
гдег — число ходов по трубам;
∆ρмтр= />
гдех — число сегментных перегородок; т — число рядов труб,преодолеваемых потоком теплоносителя в межтрубном пространстве.
— Расчет гидравлического сопротивления. Сопоставим три выбранных вариантакожухотрубчатых теплообменников по гидравлическому сопротивлению.
Вариант1К. Скорость жидкости в трубах
ωтр=G1/(Sтр∙ρ1)=6/(0,018∙986)=0,338м/с
Коэффициенттрення рассчитывают по формуле (2.31):
/>
Диаметрштуцеров в распределительной камере dTpш= 0,150 м; скорость в штуцерах
ωтр.ш= 6,0∙4/(π∙0,152∙986) =0.344 м/с.
Втрубном пространстве следующие местные сопротивления: вход в камеру и выход изнее, три поворота на 180°, четыре входа в трубы и четыре выхода из них.
Всоответствии с формулой (2.35) гидравлическое сопротивление трубногопространства равно
/>= =2716 +873+175 = 3764 Па.
Числорядов труб, омываемых потоком в межтрубном пространстве, m≈/>; округляя вбольшую сторону, получим т = 9. Число сегментных перегородок х=18 (см. табл. 2.7). Диаметр штуцеров к кожуху dмтр.ш= 0,200 м, скорость потока в штуцерах:
Wмтр.ш= 21,8∙4/(π∙0,22∙996)=0,697 м/с.
Скоростьжидкости в наиболее узком сечении межтрубного пространства площадью Sмтp=0,040м2 (см. табл. 2.3) равна:
ωмтр=21,8/(0,040-996) =0,547 м/с.
Вмежтрубном пространстве следующие местные сопротивления: вход и выход жидкостичерез штуцера, 18 поворотов через сегментные перегородки (по их числу х = 18)и 19 сопротивлений трубного пучка при его поперечном обтекании (х+ 1).
Всоответствии с формулой (2.36) сопротивление межтрубного пространства равно
∆ρмтр= />= 10 902+4023 + +725=15650 Па.
ВариантЗК. Аналогичный расчет дает следующие результаты:
ωтр= 0,277 м/с; λ=0,0431; ωтрш = 0,344м/с; ∆ртр = 2965 Па; ωтр = 0,337 м/с; ωмтр.ш= 0,446 м/с; m=12;х = 8; ∆рмтр = 3857 Па.
Сопоставлениеэтого варианта с вариантом 1К показывает, что, как и ожидалось, погидравлическому сопротивлению вариант ЗК лучше.
Вариант4К. Результаты расчета: ωтр=0,304 м/с;λ=0,0472; ωтр.ш = 0,344 м/с; ∆ртр = =3712 Па; ωмтр = 0,337 м/с; ωмтр.ш = 0,446 м/с; m=15;x: = 6;
∆рмтр= 3728 Па.
Сопротивлениеэтого теплообменника мало отличается от сопротивления предыдущего, а его массана 400 кг меньше. Поэтому из дальнейшего сравнения вариант ЗК можно исключить,считая конкурентоспособными лишь варианты 1К и 4К. Выбор лучшего из них долженбыть сделан на основе технико-экономического анализа.
2.3Расчет пластинчатого теплообменника
Длятой же технологической задачи, что и в предыдущем разделе, рассчитать иподобрать нормализованный пластинчатый теплообменник.
Эффективностьпластинчатых и кожухотрубчатых теплообменников близка. Поэтому ориентировочныйвыбор пластинчатого теплообменника целесообразно сделать, сравнив его с лучшим вариантомкожухотрубчатого. Из таблицы следует, что.поверхности, близкие к 100 м2,имеют теплообменники с пластинами площадью 0,6 м2. Для уточненногорасчета выберем три варианта: '
1П:f=80 мг, число пластин N=136,тип пластин 0,6;
2П:F = 63 м2, число пластинN=108, тип 0,6;
ЗП:F=50 м2, число пластин N=86,тип 0,6.
Расчетпо пунктам I—4 аналогичен расчету вразд. 2.4.1, поэтому опускаем его.
— Уточненный расчет требуемой поверхности.
Вариант1П.Пусть компоновка пластин самая простая: Сх:68/68, т.е. по одному пакету (ходу) для обоих потоков. Скорость горячей жидкости в 68каналах с проходным сечением 0,00245 м2 (см. табл. 2.14) равна
ω1=6,0/ (986 • 68• 0,00245) = 0,0365 м/с.
Эквивалентныйдиаметр каналов dэ= 0,0083 м (см. табл. 2.14); тогда
Re, = 0,0365∙0,0083∙986/0,00054= 553> 50,
т.е. режим турбулентный, поэтому по формуле (2.20) находим:
α1= (0.662/0,0083) 0,135∙5530,73∙3,420,43= 1836Вт/(м2∙К).
Скоростьхолодной жидкости в 68 каналах:
ω2= 21,8/ (996∙68∙0,00245) =0,1314 м/с;
Re2= 0,1314 • 0,0083 • 996/0,000804 = 1351 > 50:
α2=(0,618/0,0083) 0,135∙13510,73∙5,440,43 = 4017Вт/(м2∙К).
Сумматермических сопротивлений гофрированной пластины из нержавеющей стали толщиной1,0 мм (см. табл. 2.14) и загрязнений составляет:
∑δ/λ= 1,0∙10-3/17.5+ 1/2900+ 1/2900 = 0,000747 м2∙К/Вт.
Коэффициенттеплопередачи равен:
К=(0,000747+1/1836 + 1/4017)-'=649 Вт/(м2-К).
Требуемаяповерхность теплопередачи
F= 1822650/(649∙40,8) =68,8 м2.
Теплообменникноминальной поверхностью F1п= 80 м2 подходит с запасом
∆=(80 — 68,8) 100/68,8=16,3%.
Егомасса М1п=1690 кг (см. табл. 2.13).
Вариант2П.Схема компоновки пластин Сх:54/54. Результатырасчета:
ω1=6,0/(986∙54∙0,00245) =0,046 м/с; Re1=0,046∙0,0083∙986/0,00054= 697;
α1= 1836(697/553)0,73 = 2147 Вт/(м2∙К);
ω2=21,8/(996∙54∙0,00245)=0,165 м/с;
Re2= 0,165∙0,0083∙996/0,000804 =1697;
α2= 4017(1697/1351)0,73 = 4744 Вт/(м2∙К);
К=(1/2174+1/4744+ 0,000747)-1=705 Вт/(м2∙К);
F =1 822 650/(40,8∙705) =63,3м2.
Номинальнаяповерхность F2п= 63,0 м2 недостаточна, поэтому необходимо применитьболее сложную компоновку пластин. Очевидно, целесообразно увеличить скоростьдвижения теплоносителя с меньшим коэффициентом теплоотдачи, т. е. горячейжидкости. При этом следует иметь в виду, что несимметричная компоновка пластин,например по схеме Сх:(27+ 27)/54, приведет к уменьшению средней движущей силы, посколькувозникнет параллельно-смешанный вариант ' взаимного, направления движения теплоносителей.При симметричной компоновке, т. е. при одинаковом числе ходов для обоихтеплоносителей, сохраняются противоток и среднелогарифмическая разностьтемператур.
РассмотримСх: (27+27)/54. Скорость горячей жидкости и число Re1возрастут вдвое, а коэффициент теплоотдачи aiувеличится в соответствии с формулой (2.20) в 20,73= 1,66 раза.Коэффициент α2 останется неизменным. Получим:
α1=2174∙1,66= 3605 Вт/(м2∙К);
К=(1/3605+ 1/4744+0,000747)-1=810 Вт/(м2∙К).
Вданном случае поправку на среднелогарифмическую движущую силу можно найти также, как для кожухотрубчатых теплообменников с одним ходом в межтрубномпространстве и четным числом ходов в трубах:
ε∆t= 0,813 (см. разд. 2.4.1).
Тогда
∆tср= 40,8∙0,813 = 33,2°С.
Требуемаяповерхность теплопередачи
F=1822650/(810∙33,2) =67,8 м2.
Номинальнаяповерхность F2п=63,0м2 по-прежнему недостаточна.
Перейдяк симметричной компоновке пластин, например по схеме Сх: (27 + 27)/(27 + 27),вернемся к схеме чистого противотока с одновременным увеличением α2в 1,66 раза:
α2= 4744 •1,66 = 7875 Вт/ (м2 • К);
К= (I/3605 + 1 /7875 + 0.000747) -1 = 869 Вт/ (м2 • К);
F= 1822 650/(40,8∙869) =51,4 м2.
Теперьнормализованный теплообменник подходит с запасом
∆=(63 — 51,4) 100/51,4=22,6%.
Вэтом теплообменнике скорость горячей жидкости
ω1=0,046∙2= 0,092 м/с, Re1=697∙2= 1394,
скоростьхолодной жидкости
ω2= 0,165∙2 = 0,33 м/с, Re2=1697∙2=3394.
Массааппарата: М2п=1530 кг.
ВариантЗП.Учтя опыт предыдущих расчетов, примем трехпакетнуюсимметричную компоновку пластин: Сх: (14+14+15)/(14+14+15) (всего в аппарате 86пластин, F3п— 50 м2). При этом скорости и числа Reвозрастут в 27/14=1,93 раза:
ω1=0,092•1,93 = 0,1774 м/с; Re1= 1394•1,93 = 2688;
ω2= 0.33 • 1,93 = 0,636 м/с, Re2= 3394 •1,93 = 6546.
Коэффициентытеплоотдачи возрастут в (1,93)0,73= 1,615 раза:
α1=3605∙1,615 = 5823 Вт/(м2∙К); α2 = 7875∙1,615=12 720 Вт/(м2∙К);
К=1003Вт/(м2∙К); F= 44,5 м2; ∆=12,4 %; Мзп = 1400 кг.
Длявыбора оптимального варианта из трех конкурирующих необходимо определитьгидравлические сопротивления в аппаратах.
2.4Расчет гидравлического сопротивления пластинчатых теплообменников
Гидравлическоесопротивление для каждого теплоносителя определяют по формуле [8]:
гдеL—приведенная длина каналов, м (см. табл. 2.14); dэ— эквивалентный диаметр каналов, м; х — число пакетов для данноготеплоносителя, ωш—скорость в штуцерах на входе ивыходе; ξ = а1/Re— для ламинарного движения, ξ = а2/Re0,25—для турбулентного движения. Коэффициенты а1и а2зависят от типа (площади) пластины:Площадь пластины, м 0,2 0,3 0,6 1,3
а1 425 425 320 400
а2 19,6 19,3 15,0 17,0
Дляопределения скорости в штуцерах в таблице приведены диаметры условных проходовштуцеров. При скорости жидкости в штуцерах меньше 2,5 м/с их гидравлическоесопротивление можно не учитывать.
— Расчет гидравлических сопротивлений.
Вариант1П.Результаты расчета гидравлических сопротивлений:
ξ1 = 15,0//>=3,09; х1= 1; L=l,01м; dш= 0,2 м; ω1 =0.0365 м/с; ω1ш = 6,0∙4/(π∙0,22∙986)= 0,194 м/с
∆ρ1=3,09∙/>=247 Па
ξ2=/>; х2=1;
ω2=0,1314 м/с; ω2ш= /> =0,697 м/с
∆ρ2= 2,47∙ /> =2584 Па.
Вариант2П.Результаты расчета:
∆ρ1=2∙2,45∙/>=2488 Па
ξ1=/>; х1=2;ω1=0,092 м/с
ξ2=/>; х2=2;ω2=0,33 м/с
∆ρ2= 2∙1,965∙ /> =25935 Па.
ВариантЗП. Результаты расчета:
ξ1=/>; х1=3;ω1=0,1774 м/с
∆ρ1=3∙2,08∙/>=11781 Па
ξ2=/>; х2=3;ω2=0,636 м/с
∆ρ2= 3∙1,67∙ /> =122807 Па.
Каквидно, уменьшение массы аппаратов сопровождается увеличением гидравлическихсопротивлений и, следовательно, ростом энергетических затрат на их преодоление.Окончательный выбор наилучшего варианта из пяти теплообменников (двухкожухотрубчатых и трех пластинчатых) — задача технико-экономического анализа.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Теплообменныеаппараты имеют целый ряд преимуществ и как правило, используются во многихсферах деятельности. Теплообменные аппараты могут использоваться как дляохлаждения и так и для нагрева жидкостей и газа. Например, охлаждение печей,турбин, трансформаторов, двигателей, различных эмульсий, гидравлической смазки.То есть, теплообменные аппараты со значительной уверенностью можно назватьмногофункциональными.
Cледуетсказать о том, что теплообменный аппарат способен в значительной степениускорить определенные процессы в промышленности. Теплообменный аппарат – этонекая необходимость для тех, кто в действительности стремится снизить уровеньрасходов на производственные процессы.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Методическиеуказания для выполнения курсового проекта ректификационной колонны.
2. ЛебедевП.Д., Щукин А.А. Теплоиспользующие установки промышленных предприятий (Курсовоепроектирование). Учеб. Пособие для энергетических вузов и факультетов, 408с.
3. Методическиеуказания к курсовому проектированию по курсу «Промышленные теплообменныеустановки и процессы.» Сост.: Яковлева В.А, Кураковская А.В.- Донецк: ДонНТУ,2005г. -36с.
4. ПавловК. С., Романков П. Д., Носков А. А. Примеры и задачи по курсу процессов иаппаратов химической технологии. Учебное пособие для вузов / под. ред.Романкова П. Д. 10-е изд. измен. и перераб.: Я: Химия, 1987 г. – 576 с.
5. РивкинС.Л., Александров А.А. Термодинамические свойства воды и водяного пара:Справочник. Рек. Гос. Службой стандартных данных-
2-е изд., перераб. и доп. – М.:Энергоатомиздат, 1984г, 89 с.