Банк рефератов содержит более 364 тысяч рефератов, курсовых и дипломных работ, шпаргалок и докладов по различным дисциплинам: истории, психологии, экономике, менеджменту, философии, праву, экологии. А также изложения, сочинения по литературе, отчеты по практике, топики по английскому.
Полнотекстовый поиск
Всего работ:
364150
Теги названий
Разделы
Авиация и космонавтика (304)
Административное право (123)
Арбитражный процесс (23)
Архитектура (113)
Астрология (4)
Астрономия (4814)
Банковское дело (5227)
Безопасность жизнедеятельности (2616)
Биографии (3423)
Биология (4214)
Биология и химия (1518)
Биржевое дело (68)
Ботаника и сельское хоз-во (2836)
Бухгалтерский учет и аудит (8269)
Валютные отношения (50)
Ветеринария (50)
Военная кафедра (762)
ГДЗ (2)
География (5275)
Геодезия (30)
Геология (1222)
Геополитика (43)
Государство и право (20403)
Гражданское право и процесс (465)
Делопроизводство (19)
Деньги и кредит (108)
ЕГЭ (173)
Естествознание (96)
Журналистика (899)
ЗНО (54)
Зоология (34)
Издательское дело и полиграфия (476)
Инвестиции (106)
Иностранный язык (62792)
Информатика (3562)
Информатика, программирование (6444)
Исторические личности (2165)
История (21320)
История техники (766)
Кибернетика (64)
Коммуникации и связь (3145)
Компьютерные науки (60)
Косметология (17)
Краеведение и этнография (588)
Краткое содержание произведений (1000)
Криминалистика (106)
Криминология (48)
Криптология (3)
Кулинария (1167)
Культура и искусство (8485)
Культурология (537)
Литература : зарубежная (2044)
Литература и русский язык (11657)
Логика (532)
Логистика (21)
Маркетинг (7985)
Математика (3721)
Медицина, здоровье (10549)
Медицинские науки (88)
Международное публичное право (58)
Международное частное право (36)
Международные отношения (2257)
Менеджмент (12491)
Металлургия (91)
Москвоведение (797)
Музыка (1338)
Муниципальное право (24)
Налоги, налогообложение (214)
Наука и техника (1141)
Начертательная геометрия (3)
Оккультизм и уфология (8)
Остальные рефераты (21697)
Педагогика (7850)
Политология (3801)
Право (682)
Право, юриспруденция (2881)
Предпринимательство (475)
Прикладные науки (1)
Промышленность, производство (7100)
Психология (8694)
психология, педагогика (4121)
Радиоэлектроника (443)
Реклама (952)
Религия и мифология (2967)
Риторика (23)
Сексология (748)
Социология (4876)
Статистика (95)
Страхование (107)
Строительные науки (7)
Строительство (2004)
Схемотехника (15)
Таможенная система (663)
Теория государства и права (240)
Теория организации (39)
Теплотехника (25)
Технология (624)
Товароведение (16)
Транспорт (2652)
Трудовое право (136)
Туризм (90)
Уголовное право и процесс (406)
Управление (95)
Управленческие науки (24)
Физика (3463)
Физкультура и спорт (4482)
Философия (7216)
Финансовые науки (4592)
Финансы (5386)
Фотография (3)
Химия (2244)
Хозяйственное право (23)
Цифровые устройства (29)
Экологическое право (35)
Экология (4517)
Экономика (20645)
Экономико-математическое моделирование (666)
Экономическая география (119)
Экономическая теория (2573)
Этика (889)
Юриспруденция (288)
Языковедение (148)
Языкознание, филология (1140)

Курсовая работа: Подбор теплообменника для проведения процесса охлаждения и конденсации пара толуола

Название: Подбор теплообменника для проведения процесса охлаждения и конденсации пара толуола
Раздел: Промышленность, производство
Тип: курсовая работа Добавлен 09:12:24 17 ноября 2009 Похожие работы
Просмотров: 3334 Комментариев: 2 Оценило: 2 человек Средний балл: 4.5 Оценка: неизвестно     Скачать

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования

«Белорусский государственный технологический университет»

Кафедра процессов и аппаратов химических производств

РАСЧЕТНО – ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовой работе

по процессам и аппаратам химических технологий

на тему "Подбор теплообменника для проведения процесса охлаждения и конденсации пара толуола"

Разработал

студент 3 курса

инженерно-экономического факультета

специальности 1-43 01 06 02

Стригельский А. В.

Руководитель

Калишук Д. Г.

Минск 2005


Содержание

Введение

1. Литературный обзор

1.1 Теоретические основы теплообмена

1.2 Основные типы теплообменников

1.2.1 Назначение и классификация теплообменных аппаратов

1.2.2 Обзор типовых теплообменных аппаратов

1.3 Современное аппаратурно-технологическое оформление процесса теплообмена

2. Расчет холодильника первой ступени

2.1 Определение тепловой нагрузки

2.2 Определение расхода и тепловой нагрузки воздуха

2.3 Вычисление средней разности температур теплоносителей

2.4 Нахождение ориентировочной поверхности теплообмена Fор и выбор рассчитываемого теплообменника

2.5 Расчет коэффициента теплопередачи K

2.6 Расчёт гидравлического сопротивления теплообменника

3. Расчет конденсатора паров толуола

3.1 Определение тепловой нагрузки

3.2 Определение тепловой нагрузки для второго теплоносителя ─ жидкого толуола и его расхода

3.3 Вычисление средней разности температур теплоносителей

3.4 Нахождение ориентировочной поверхности теплообмена Fор и выбор рассчитываемого теплообменника

3.5 Уточненный расчет поверхности теплопередачи

3.6 Расчёт гидравлического сопротивления теплообменника

Заключение

Список использованных литературных источников

Приложение А

Приложение Б

Введение

Современная химическая промышленность в Беларуси развивается с 60-х годов в комплексе с нефтеперерабатывающими и нефтехимическими предприятиями. Интенсивному развитию в республике этой отрасли способствовал ряд благоприятных факторов: большая потребность народного хозяйства в химической и нефтехимической продукции и высокая эффективность её применения в промышленности и сельском хозяйстве; открытие богатых запасов калийных солей на юге Минской области и нефтяных месторождений в Гомельской области; разветвлённая сеть железных и автомобильных дорог.

Начиная с 1958 года, в республике осуществляется развёрнутое строительство новых, расширение и реконструкция действующих химических предприятий. Химическая промышленность стала одной из ведущих отраслей хозяйства, охватывающей многочисленные производства разнообразных неорганических и органических продуктов, имеющих важное значение. Возникли и получили промышленное применение процессы адсорбции, экстракции, молекулярной дистилляции и др.

Современная химическая промышленность насчитывает множество разнообразных производств, часто сильно различающихся химической природой и физическими свойствами исходных веществ, промежуточных и конечных продуктов, а также характером и условиями протекания технологических процессов. Несмотря на перечисленные различия, число элементарных процессов, повторяющихся в разных сочетаниях во всех химических производствах, едва достигает двадцати. Из этого ограниченного числа элементарных процессов или из некоторой их части, но в различной последовательности и при разных рабочих условиях строится технология любого химического производства.

1 Литературный обзор

1.1 Теоретические основы теплообмена

При тепловых процессах тепло передаётся от одного вещества к другому. Для самопроизвольного переноса тепла одно из этих веществ должно быть более нагрето, чем другое. Вещества, участвующие в процессе перехода тепла (теплообмен), называются теплоносителями. Вещество с более высокой температурой, которое в процессе теплообмена отдаёт тепло, называется горячим теплоносителем, а вещество с более низкой температурой, воспринимающее тепло, холодным теплоносителем.

Существуют два основных способа проведения тепловых процессов: путём непосредственного соприкосновения теплоносителей и передачей тепла через стенку, разделяющую теплоносители.

При передаче тепла непосредственным соприкосновением теплоносители обычно смешиваются друг с другом, что не всегда допустимо; поэтому данный способ применяется сравнительно редко, хотя он значительно проще в аппаратурном оформлении.

При передаче тепла через стенку теплоносители не смешиваются, и каждый из них движется по отдельному каналу; поверхность стенки, разделяющей теплоносители, используются для передачи тепла и называется поверхностью теплообмена.

Различают установившийся и неустановившийся процессы теплопередачи. При установившемся (стационарном) процессе температуры в каждой точке аппарата не изменяются во времени, тогда как при неустановившемся (нестационарном) процессе температуры изменяются во времени. Установившиеся процессы соответствуют непрерывной работе аппаратов с непрерывным режимом; неустановившиеся процессы протекают
в аппаратах периодического действия, а также при пуске и остановке аппаратов непрерывного действия и изменении режима их работы.

Передача тепла от одного тела к другому может происходить посредством теплопроводности, конвекции и лучеиспускания.

Передача тепла теплопроводностью осуществляется путём переноса тепла при непосредственном соприкосновении отдельных частиц тела. При этом энергия передаётся от одной частицы к другой в результате колебательного движения частиц, без их перемещения друг относительно друга.

Передача тепла конвекцией происходит только в жидкостях и газах путём перемещения их частиц. Перемещение частиц обусловлено движением всей массы жидкости или газа (вынужденная или принудительная конвекция), либо разностью плотностей жидкости в разных точках объёма, вызываемой неравномерным распределением температуры в массе жидкости или газа (свободная, или естественная, конвекция).

Конвекция всегда сопровождается передачей тепла посредством теплопроводности.

Передача тепла лучеиспусканием происходит путём переноса энергии в виде электромагнитных волн. В этом случае тепловая энергия превращается в лучистую энергию (излучение), которая проходит через пространство и затем снова превращается в тепловую при поглощении энергии другим телом (поглощение).

Рассмотренные виды передачи тепла редко встречаются в чистом виде; обычно они сопутствуют друг другу (сложный теплообмен). Так при передаче тепла через стенку перенос тепла от горячего теплоносителя к стенке и от стенки к холодному теплоносителю осуществляется конвекцией, а через стенку – путём теплопроводности.

Теплообменными аппаратами, или теплообменниками, называются устройства для передачи тепла от одних сред (горячих теплоносителей) к другим (холодным теплоносителям). В химической технологии теплообменные аппараты применяются для нагревания и охлаждения веществ в различных агрегатных состояниях, испарения жидкостей и конденсации паров, перегонки и сублимации, абсорбции и адсорбции, расплавления твёрдых тел и кристаллизации, отвода и подвода тепла при проведении экзо- и эндотермических реакций и т. д. соответственно своему назначению теплообменные аппараты называют подогревателями, холодильниками, испарителями, конденсаторами, дистилляторами, сублиматорами, плавителями и т. п.

Количество тепла, передаваемого в единицу времени от одного тела к другому, называется тепловым потоком, и выражается в Дж/сек или Вт, т. е. единицах мощности.

При теплообмене между теплоносителями происходит уменьшение энтальпии (теплосодержания) горячего теплоносителя и увеличение энтальпии холодного теплоносителя. Пусть количество горячего теплоносителя, его начальная и конечная энтальпия равны соответственно G кг/сек I1 и I2 Дж/кг, а количество холодного теплоносителя и его начальная и конечная энтальпия g кг/сек i1 и i2 Дж/кг.

Примем также, что количество тепла, передаваемое от горячего теплоносителя к холодному, составляет Q Вт (эта величина называется тепловой нагрузкой аппарата), а потери тепла в окружающую среду равны Qn Вт. Тогда уравнение теплового баланса запишется в виде:

G·I1 +g·i1 = G·I2 + g·i2 + Qn , (1)

Произведя перегруппировку, получим:

G·(I1 – I2 ) = g·(i2 – i1 ) + Qn , (2)


Величина Qгор = G·(I1 – I2) представляет собой количество тепла, отданного горячим теплоносителем, а величина Qхол = g·(i2 – i1 ) количество тепла, сообщённое холодному теплоносителю.

Таким образом:

Qгор = Qхол + Qn , (3)

Т. е. тепло, отданное горячим теплоносителем, частично передаётся холодному теплоносителю и частично расходуется на компенсацию потерь в окружающую среду.

В теплообменных аппаратах потери тепла обычно невелики (не более 2 – 3 %) и ими можно пренебречь. Тогда уравнение теплового баланса примет вид:

Q = Qгор = Qхол , (4)

или

Q = G·(I1 –I2 ) = g·(i2 – i1 ), (5)

Расчет теплообменного аппарата включает определение необходимой поверхности теплопередачи, выбор типа аппарата и нормализованного варианта конструкции, удовлетворяющих заданным технологическим условиям оптимальным образом. Необходимую поверхность теплопередачи определяют из основного уравнения теплопередачи:

F = Q/(K·∆tcp ), (6)


Тепловую нагрузку Q в соответствии с заданными технологическими условиями находят из уравнения теплового баланса для одного из теплоносителей:

— если агрегатное состояние теплоносителя не меняется — из уравнения

Q = Gi ·ci ·[ti н - ti k ], i =1,2, (7)

— при конденсации насыщенных паров без охлаждения конденсата или при кипении — из уравнения

Q = Gi ·ri , i = 1,2, (8)

— при конденсации перегретых паров с охлаждением конденсата

Q = G1 ·(I – c1 ·t1 k ), (9)

где I — энтальпия перегретого пара Дж/кг.

Если агрегатное состояние теплоносителя не меняется, его среднюю температуру можно определить как среднеарифметическую между начальной и конечной температурами:

ti = (t + tik )/2, i = 1,2, (10)

Более точное значение средней температуры одного из теплоносителей

можно получить, используя среднюю разность температур:

ti = tj ± ∆tc p, (11)


где tj — среднеарифметическая температура теплоносителя с меньшим перепадом температуры вдоль поверхности теплообмена, °С.

При изменении агрегатного состояния теплоносителя его температура постоянна вдоль всей поверхности теплопередачи и равна температуре кипения (или конденсации) зависящей от давления и состава теплоносителя.

Для протекания процесса передачи тепла необходимо наличие некоторой разности температур между горячим и холодным теплоносителями. Эта разность температур является движущей силой процесса теплопередачи и называется температурным напором. Если Т — температура горячего теплоносителя, а t — температура холодного теплоносителя в °С, то температурный напор:

q = T – t, (12)

Чем больше температурный напор, тем выше скорость передачи тепла, причём количество тепла, передаваемого от горячего теплоносителя к холодному, пропорционально поверхности теплообмена F (м2 ), температурному напору q и времени τ, с :

Q = K·F·q·τ, (13)

где K — коэффициент теплопередачи, Вт/м2 ∙К.

Если тепло переносится путём теплопроводности через стенку, то, согласно закону Фурье, количество передаваемого тепла пропорционально поверхности F, разности температур между обеими поверхностями стенки (qст . = tст .1 -tст .2 ),времени τ и обратно пропорционально толщине стенки δ:

Q = [λ·F(tст1 – tст2 )·τ]/δ = (λ·F·qст .·τ)/δ, (14)


где tст1 и tст2 — температура поверхностей стенки; λ – коэффициент теплопроводности, Вт/(м∙К).

1.2 Основные типы теплообменников

1.2.1 Назначение и классификация теплообменных аппаратов

Теплообменными аппаратами, или теплообменниками, называются устройства для передачи тепла от одних сред (горячих теплоносителей) к другим (холодным теплоносителям). В химической технологии теплообменные аппараты применяются для нагревания и охлаждения веществ в различных агрегатных состояниях, испарения жидкостей и конденсации паров, перегонки и сублимации, абсорбции и адсорбции, расплавления твердых тел и кристаллизации, отвода и подвода тепла при проведении экзо- и эндотермических реакций и т. д.

Соответственно своему назначению теплообменные аппараты называют подогревателями, холодильниками, испарителями, конденсаторами, дистилляторами, сублиматорами, плавителями и т.п.

По способу передачи тепла различают теплообменные аппараты поверхностные и смесительные. В первом случае передача тепла происходит через разделяющие твердые стенки, во втором — непосредственным контактом (смешением) нагретых и холодных сред (жидкостей, газов, твердых веществ). Поверхностные аппараты подразделяются на рекуперативные и регенеративные. В рекуперативных аппаратах тепло от горячих теплоносителей к холодным передается через разделяющую их стенку, поверхность которой называется теплообменной поверхностью, или поверхностью нагрева. В регенеративных аппаратах оба теплоносителя попеременно соприкасаются с одной и той же стенкой, нагревающейся (аккумулируя тепло) при прохождении горячего потока и охлаждающейся (отдавая аккумулированное тепло) при последующем прохождении холодного потока. Регенераторы являются аппаратами периодического действия, рекуператоры могут работать как в периодическом, так и в непрерывном режимах.

1.2.2 Обзор типовых теплообменных аппаратов

При небольших тепловых нагрузках, когда требуемая поверхность теплообмена не превышает 20 — 30 м2 , целесообразно применение теплообменников типа «труба в трубе» Такие теплообменники изготовляют следующих типов: 1) неразборные однопоточные малогабаритные; 2) разборные одно- и двухпоточные малогабаритные; 3) разборные однопоточные; 4) неразборные однопоточные; 5) разборные многопоточные.

Неразборный теплообменник типа «труба в трубе» изображен на рисунке 1 Эти теплообменники могут иметь один ход или несколько (обычно четное число) ходов.

1 — теплообменная труба, 2 — кожуховая труба, 3 — калач

Рисунок 1 – Неразборный теплообменник типа «труба в трубе»

Конструкция разборного теплообменника показана на рисунке 2 Однопоточный малогабаритный теплообменник (рисунок 2) имеет распределительную камеру для наружного теплоносителя, разделенную на две зоны продольной перегородкой. В крышке размещен калач, соединяющий теплообменные трубы. Кожуховые трубы крепятся в трубных решетках, теплообменные трубы герметизируются с помощью сальниковых уплотнений. Однопоточные разборные теплообменники из труб большого диаметра (более 57 мм) выполняются без распределительной камеры, так как штуцер для подвода наружного теплоносителя можно приварить непосредственно к кожуховым трубам.

1 — теплообменная труба 2 — распределительная камера для наружного теплоносителя 3 — кожуховая труба, 4 — крышка

Рисунок 2 – Разборный однопоточный малогабаритный теплообменник типа «труба в трубе»

Достоинством рассматриваемых теплообменных аппаратов ям является возможность создания высоких и даже одинаковых скоростей обоих теплоносителей и, следовательно, больших коэффициентов теплоотдачи. К числу их недостатков относятся большое гидравлическое сопротивление и значительная металлоемкость.

Наиболее широкое распространение получили кожухотрубчатые теплообменные аппараты, используемые для теплообмена между потоками в различных агрегатных состояниях (пар ─ жидкость, жидкость ─ жидкость, газ ─ газ, газ ─ жидкость).

Кожухотрубчатые теплообменные аппараты могут использоваться в качестве теплообменников, холодильников, конденсаторов и испарителей.

Теплообменники предназначены для нагрева и охлаждения, а холодильники — для охлаждения (водой или другим нетоксичным, непожаро- и невзрывоопасным хладоагентом) жидких и газообразных сред. Кожухотрубчатые теплообменники и холодильники могут быть двух типов: Н — с неподвижными трубными решетками и К — с линзовым компенсатором неодинаковых температурных удлинений кожуха и труб. Наибольшая допускаемая разность температур кожуха и труб для аппаратов типа Н может составлять 20 — 60 градусов, в зависимости от материала кожуха и труб, давления в кожухе и диаметра аппарата.

Теплообменники могут устанавливаться горизонтально или вертикально, быть одно-, двух-, четырех- и шестиходовыми по трубному пространству. Трубы, кожух и другие элементы конструкции могут быть изготовлены из углеродистой или нержавеющей стали. Распределительные камеры и крышки холодильников выполняют из углеродистой стали.

Кожухотрубчатые конденсаторы предназначены для конденсации паров в межтрубном пространстве, а также для подогрева жидкостей и газов за счет теплоты конденсации пара. Они могут быть с неподвижной трубной решеткой или с температурным компенсатором на кожухе, вертикальные или горизонтальные. Конденсаторы могут быть двух-, четырех- и шестиходовыми по трубному пространству

В кожухотрубчатых испарителях в трубном пространстве кипит жидкость, а в межтрубном пространстве может быть жидкий, газообразный, парообразный, парогазовый или парожидкостной теплоноситель. Эти теплообменники могут быть только вертикальными одноходовыми, с трубками диаметром 25X2 мм. Они могут быть с неподвижной трубной решеткой или с температурным компенсатором на кожухе. Применение кожухотрубчатых теплообменников с температурным компенсатором на кожухе (линзовый компенсатор) ограничено предельно допустимым давлением в кожухе, равным 1,6 МПа. При большем давлении в кожухе (1,6 — 8,0 МПа) следует применять теплообменники с плавающей головкой или с U-образными трубами.

На рисунке 3 изображен кожухотрубчатый теплообменник с плавающей головкой, предназначенной для охлаждения (нагревания) жидких или газообразных сред без изменения их агрегатного состояния. Не закрепленная на кожухе вторая трубная решетка вместе с внутренней крышкой, отделяющей трубное пространство от межтрубного, образует так называемую плавающую головку. Такая конструкция исключает температурные напряжения в кожухе и в трубах. Кожухотрубчатые конденсаторы с плавающей головкой отличаются от аналогичных теплообменников большим диаметром штуцера для подвода пара в межтрубное пространство. Допустимое давление охлаждающей среды в трубах до 1,0 МПа, в межтрубном пространстве — от 1,0 до 2,5 МПа. Эти аппараты могут быть двух-, четырех- и шестиходовыми по трубному пространству. Диаметр кожуха от 600 до 1400 мм, высота труб 6,0 м.

1 — крышка распределительной камеры, 2 — распределительная камера, 3 — кожух, 4 — теплообменные трубы, 5 — перегородка с сегментным вырезом, 6 — штуцер, 7 — крышка плавающей головки, 8 — крышка кожуха

Рисунок 3 – Кожухотрубчатый теплообменник с плавающей головкой

Теплообменники с U-образными трубами (рисунок 4) применяют для нагрева и охлаждения жидких или газообразных сред без изменения их агрегатного состояния. Они рассчитаны на давление до 6,4 МПа, отличаются от теплообменников с плавающей головкой менее сложной конструкцией (одна трубная решетка, нет внутренней крышки), однако могут быть лишь двухходовыми, из труб только одного сортамента: 20X2 мм. Кожухотрубчатые испарители с трубными пучками из U-образных труб или с плавающей головкой имеют паровое пространство над кипящей в кожухе жидкостью. В этих аппаратах, всегда расположенных горизонтально, горячий теплоноситель (в качестве которого могут быть использованы газы, жидкости или пар) движется по трубам. Кожухотрубчатые испарители могут быть с коническим днищем (рисунок 5) диаметром 800—1600 мм и с эллиптическим днищем диаметром 2400—2800 мм. Последние могут иметь два или три трубных пучка. Допустимые давления в трубах составляют 1,6—4,0 МПа, в кожухе — 1,0—2,5 МПа при рабочих температурах от —30 до 450°С, т. е. выше, чем для испарителей с линзовым компенсатором.

1 — распределительная камера, 2 — кожух, 3 — теплообменные трубы, 4 — перегородка с сегментным вырезом, 5 — штуцер

Рисунок 4 – Кожухотрубчатый теплообменник с U образными трубами

Наибольшей компактностью отличаются пластинчатые теплообменные аппараты; их удельная рабочая поверхность достигает 1500 м23 .

В пластинчатых теплообменниках поверхность теплообмена образована набором тонких штампованных гофрированных пластин Эти аппараты могут быть разборными, элуразборными и неразборными (сварными) В пластинах разборных теплообменников (рисунок 6) имеются угловые отверстия для прохода теплоносителей и пазы, в которых закрепляются уплотнительные и компонующие прокладки из специальных термостойких резин. Пластины сжимаются между неподвижной и подвижной плитами таким образом, что благодаря прокладкам между ними образуются каналы для поочередного прохода горячего и холодного теплоносителей. Плиты снабжены штуцерами для присоединения трубопроводов. Неподвижная плита крепится к полу, пластины и подвижная плита закрепляются в специальной раме. Группа пластин, образующих систему параллельных каналов, в которых данный теплоноситель движется только в одном направлении (сверху вниз или наоборот), составляет пакет. Пакет по существу аналогичен одному ходу по трубам в многоходовых кожухотрубчатых теплообменниках.

1 — кожух, 2 — трубчатая решетка плавающей головки, 3 — теплообменные трубы, 4 — неподвижная трубная решетка, 5 — распределительная камера 6 — крышка распределительной камеры, / — люк для монтажа трубного пучка, // — выход остатка продукта, /// — дренаж, IV — вход жидкого продукта V — выход газа или жидкости (теплового агента), VI — вход пара или жидкости (теплового агента), VII — выход паров продукта, VIII — люк

Рисунок 5 – Кожухотрубчатый испаритель с паровым пространством

Широкое применение получили пластинчато-ребристые теплообменные аппараты компактность которых достигает 2000 м23 . Большими достоинствами этих аппаратов являются: возможность осуществления теплообмена между тремя, четырьмя и более теплоносителями; наименьший вес и объем (следовательно, и стоимость) по сравнению с другими аппаратами. По своему устройству пластинчато-ребристые теплообменники представляют собой набор тонких пластин, между которыми располагаются тонкие гофрированные листы, припаянные к каждой пластине. Таким образом, образуются сребренные поверхности теплообмена, а теплоноситель разбивается на ряд мелких потоков. Аппарат может быть собран из любого числа пластин, а теплоносители могут двигаться либо прямотоком, либо перекрестным током.

1 — неподвижная плита, 2 — теплообменная пластина, 3 — прокладка, 4 — концевая пластина, 5 — подвижная плита

Рисунок 6 – Пространственная схема движения теплоносителей (а) и условная схема компоновки пластин (б) в однопакетном пластинчатом разборном теплообменнике

1.3 Современное аппаратурно-технологическое оформление процесса теплообмена

Теплообмен является одним из важнейших процессов как в живой природе, так и для технологических производств. Поэтому немало было разработано и разрабатывается по сей день теплообменных установок, разнообразных методов проведения и контроля теплообменных процессов.

К современному теплообменному оборудованию относят теплообменник который был изобретён в 1998 году Плоским А.А., Банниковым Н.В., Громовым А.П., Суворовым А.П. и Федоровым Н.Н. (акционерное общество открытого типа "Чебоксарский завод промышленных тракторов"). Изобретение может быть использовано в теплообменниках для нагрева теплом газов жидкого теплоносителя. Изобретение позволяет компенсировать сердцевины теплообменников из сравнительно дешевых штампованных пакетов, обеспечивающих удобство их чистки в эксплуатации и должную турбулизацию теплоносителей.

Задачей данного изобретения является создание теплообменника, исключающего сварку при изготовлении пакетов сердцевины, а также обеспечивающего удобство чистки их в условиях эксплуатации и должную турбулизацию теплоносителей.

Поставленная задача достигнута здесь благодаря тому, что пакеты теплообменника, содержащего корпус с состоящей из штампованных пакетов сердцевиной и патрубками для подвода теплоносителей в соответствующие полости для вывода их из тех же полостей, выполнены в виде бесшовных труб с прямоугольными торцами, соседние боковые стороны которых совмещены друг с другом, а полости теплоносителей внутри пакетов и между ними образованы волнообразными углублениями на сплющенных боковых поверхностях пакетов, крайние из которых образуют боковые стенки корпуса. Указанная совокупность отличается от прототипа и не обнаружена среди аналогичных теплообменников — аналогов в тракторной отрасли техники. Более подробное описание данного теплообменника представлено в приложении А.

Государственная морская академия им. адм. С.О. Макарова (Овсянников М.К., Петухов В.А.) в 1998 году разработала способ контроля тепловой эффективности теплообменного аппарата. Изобретение предназначено для использования в теплотехнике и металлургии. Применение предлагаемого способа в практике эксплуатации судовых теплообменных аппаратов позволит объективно и достаточно точно оценить эффективность работы теплообменных аппаратов и определить периодичность их профилактической чистки и других работ по техобслуживанию, снизить затраты и повысить эффективность технической эксплуатации теплообменных аппаратов различного типа и назначения, более качественно выполнять работы по их совершенствованию на стадии проектирования и технологии изготовления.

Это способ контроля тепловой эффективности теплообменного аппарата (ТА), включающий измерение входных и выходных значений температуры теплообменных сред, вычисление коэффициента тепловой эффективности ТА (теплового КПД ТА), отличающийся тем, что измеряют одновременно разности значений температур обоих теплоносителей ∆tmax и ∆tmin в установившемся режиме работы ТА, после чего вычисляют et по формуле:

et = 1 – (∆tcp /∆tmax ) , (15)

где:

∆tcp = (∆tmax – ∆tmin )/(ln(∆tmax /∆tmin )), (16)

et — коэффициент тепловой эффективности ТА;

∆tmax — максимальная разница значений температур теплоносителей на входе ТА;

∆tmin — минимальная разница значений температур теплоносителей на выходе из ТА;

и сравнивают его значения с критическим, добиваясь выполнения условия

et ³ et kp ,(17)

Более подробное описание данного способа контроля тепловой эффективности теплообменного аппарата. представлено в приложении Б.

2 Расчет холодильника первой ступени

Рассчитаем необходимую поверхность теплообменника, в трубном пространстве, которого охлаждается со 160 до 110,8 °С толуол, с заданным массовым расходом GА = 2,92 кг/с.

В качестве охлаждающего теплоносителя применяем воздух под давлением P = 0,15 МПа.

2.1 Определение тепловой нагрузки

Тепловая нагрузка со стороны толуола рассчитывается следующим образом:

QА = GА ∙cА ∙( TА2 -TА1 ), (2.1)

где GА ─ массовый расход толуола, кг/с; cA = 1530,8 Дж/кг·К ─ теплоемкость толуола, при его температуре tA = 135,4 °С [3].

QА = 2,92∙1530,8∙(160-110,8) = 219920,85 Вт.

2.2 Определение расхода и тепловой нагрузки воздуха

Тепловую нагрузку со стороны воздуха примем равной тепловой нагрузке со стороны толуола c учетом потерь тепла в окружающую среду:

QВ = β∙QА , (2.2)


где β ─ коэффициент, учитывающий потерю тепла (примем его равным ─ 0,95).

QВ = 0,95∙219920,85 = 208924,8 Вт.

GВ = QВ /[cВ ∙( TВ2 -TВ1 )], (2.3)

где GB ─ массовый расход воздуха, кг/с; cВ = 1007,3 Дж/кг·К ─ теплоемкость воздуха, при его температуре tB = 42,5 °С [3].

GВ = 208924,8 /[1007,3∙(60-25)] = 5,9 кг/с.

2.3 Вычисление средней разности температур теплоносителей

Принимаем схему движения теплоносителей ─ противоток.

Тогда разность температур на входе ─ Δtвх и на выходе ─ Δtвых из теплообменника соответственно равны:

Δtвх = |ТА1В2 | = |160-60| = 100 °С;

Δtвых = |ТА2В1 | = |110,8-25| = 85,8 °С.

Средняя разность температур теплоносителей:

Δtср = (Δtвх + Δtвых )/2, (2.4)

Δtср = (100 + 85,8)/2 = 92,9 °С.

2.4 Нахождение ориентировочной поверхности теплообмена Fор и выбор рассчитываемого теплообменника

Решение вопроса о том, какой теплоноситель направить в трубное пространство, обусловлено его температурой, давлением, коррозионной активностью, способностью загрязнять поверхности теплообмена, расходом и др. В рассматриваемом примере в трубное пространство целесообразно направить толуол, так как он является наиболее взрывопожароопасным теплоносителем. Это позволит снизить вероятность возникновения аварийной ситуации при эксплуатации теплообменника.

Ориентировочное значение поверхности:

Fор. = Q/(K∙∆tср ), (2.5)

где К ─ приблизительное значение коэффициента теплопередачи.

В соответствии с таблицей 2.1[2] примем Кор = 45 Вт/м2 ∙К.

Fор. = 219920,85/(45∙92,9) = 52,9 м2

Рассчитаем необходимое число труб, приходящееся на один ход теплообменника

n/z = 4∙GА /(π∙dвн ∙µА ∙ Reop ), (2.6)

где n ─ число труб; z ─ число ходов по трубному пространству; dвн ─ внутренний диаметр труб, м;

Примем ориентировочное значение Reop = 15000 , что соответствует развитому турбулентному режиму течения в трубах. Очевидно, такой режим возможен в теплообменнике, у которого число труб, приходящееся на один ход, равно:

─ для труб диаметром dн = 20×2 мм ─

n/z = 4∙2,92/(3,14∙0,016∙0,000009635∙15000) = 1608,6;

─ для труб диаметром dн = 25×2 мм ─

n/z = 4∙2,92/(3,14∙0,021∙0,000009635∙15000) = 1225,6.

В соответствии с ГОСТ 15120-79 и ГОСТ 15122-79 соотношение n/z принимает наиболее близкое к заданному значению у теплообменника параметры, которого представлены в таблице 2.1.


Таблица 2.1 ─ Параметры кожухотрубчатого теплообменника согласно ГОСТ 15120-79 и ГОСТ 15122-79

D, мм dн , мм z n L, м F , м2
1000 0,025 1 747 3 176

Так как поверхность теплообмена стандартного теплообменника намного больше ориентировочного значения поверхности теплообмена, то принимаем решение установить нестандартный теплообменник параметры, которого представлены в таблице 2.2.

Таблица 2.2─Параметры нестандартного кожухотрубчатого теплообменника

D, мм dн , мм z n L, м F , м2
1000 0,025 1 747 1 58,67

2.5 Расчет коэффициента теплопередачи K

Коэффициент теплопередачи K рассчитывается по формуле (2.7):

К = (1/α1стст +rз1 + rз2 +1/α2 )-1 , (2.7)

где α1 и α2 ─ коэффициенты теплоотдачи со стороны теплоносителей, Вт/(м2 ∙К); λст ─ теплопроводность материала стенки, Вт/(м∙К); δст ─ толщина стенки, м; 1/rз1 и 1/rз2 ─ термические сопротивления слоев загрязнений с обеих сторон стенки, Вт/(м2 ∙К).

Сумма термических сопротивлений со стороны стенки и загрязнений равна:

Σδ/λ = δстст + rз1 + rз2 , (2.8)


При δст = 2 мм = 0,002 м, Для стали сталь 20 теплопроводность λст = 46,5 Вт/(м∙К). 1/rз1 = 5800 Вт/(м2 ∙К), 1/rз2 = 2800 Вт/(м2 ∙К) [3], термическое сопротивление со стороны стенки равно:

Σδ/λ= 0,002/46,5+1/5800+1/2800 = 5,7∙10-4 м2 ∙К/Вт

Действительное число Re вычисляется по формуле:

ReA = 4∙GА ∙z/(π∙dвн ∙n∙µА ) (2.9)

ReA = 4∙2,92∙1/(3,14∙0,021∙747∙0,000009635) = 24610,56

Коэффициент теплоотдачи со стороны толуола к стенке α1 равен:

α1 = λ/dвн (0,023∙Re0,8 ∙(Pr/Prст )0,25 ∙Pr0,4 ), (2.10)

где Ргст ─ критерий Прандтля, рассчитанный при температуре стенки tст .

РгA = cA ∙µАA = 1530,8∙0,9635 ∙10-5 /0,022 = 0,67

Среднюю температуру воздуха определим, как среднее арифметическое его начальной и конечной температур:

ТВ = (ТВ1В2 )/2 = (60+25)/2 = 42,5 °С

Среднюю температуру толуола определяется следующим образом:

ТA = ТB + Δtcp = 42,5 + 92,9 = 135,4 °С

Температуру стенки можно определить из соотношения

tст = Tср ± Δt, (2.11)


где Tср ─ средняя температура теплоносителя, Δt ─ разность температур теплоносителя и стенки.

Расчет α1 - ведем методом последовательных приближений.

В первом приближении примем Δt1 = 60 °С. Тогда

tст1 =135,4 - 60 = 75,4 °С

РгАст =cAст ∙µАстAст = 1320,5∙0,8348 ∙10-5 /0,0153 = 0,72

α1 = (0,0153/0,021)∙0,023∙24610,560,8 ∙(0,67/0,72)0,25 ∙0,670,4 = 65,68 Вт/(м2 ∙К)

Для установившегося процесса передачи тепла справедливо уравнение:

q = α1 ∙Δt1 = Δtст /(ΣΔδ/λ) = α2 ∙Δt2 , (2.12)

где q ─ удельная тепловая нагрузка, Вт/м2 ; Δt ─ перепад температур на стенке, °С; Δt2 ─ разность между температурой стенки со стороны воздуха и температурой самого теплоносителя, °С.

Отсюда:

Δtст = α1 ∙Δt1 ∙(Σδ/λ) = 65,68∙60∙5,7 ∙10-4 = 2 °С

Тогда

Δt2 = Δtср -Δtст -Δt1 = 92,9-2-60 = 30,9 °С

Коэффициент теплоотдачи со стороны воздуха к стенке α2

Площадь сечения потока в межтрубном пространстве для подобранного теплообменника Sмтр = 0,143 м2 , тогда

ReВ = GВ ∙dн /(Sмтр ∙µB ) (2.13)


ReВ = 5,9∙0,025/(0,143∙0,00001926) = 53555

РгB = cB ∙µBB = 1007,5∙0,00001926/0,0279 = 0,6955

α2 = (0,0279/0,025)∙0,24∙535550,6 ∙0,69550,36 = 161,89 Вт/(м2 ∙К)

Вычислим тепловые нагрузки со стороны каждого из теплоносителей:

─ со стороны толуола ─

q′ = α1 ∙Δt1 = 65,68∙60 = 3940,8 Вт/м2 ;

─ со стороны воздуха ─

q″ = α2 ∙Δt2 = 161,89∙30,9 = 5018,8 Вт/м2 .

Как видим, q′≠q″.

Для второго приближения примем Δt1 = 65 °С.

Тогда

tст1 = 135,4-65 = 70,4 °С

РгАст = 1282,4∙0,8116 ∙10-5 /0,0145 = 0,72

α1 = (0,022/0,021)∙0,023∙24610,560,8 ∙(0,67/0,72)0,25 ∙0,670,4 = 65,68 Вт/(м2 ∙К)

Δtст = 65,68∙65∙5,7 ∙10-4 = 2 °С

Δt2 = 92,9-2-65 = 25,9 °С

tст2 = 42,5 + 25,9 = 68,9 °С

α2 = (0,0279/0,025)∙0,24∙535550,6 ∙0,69550,36 = 160,18 Вт/(м2 ∙К)

Тепловые нагрузки со стороны каждого из теплоносителей равны:

─ со стороны толуола ─

q′ = 65,68∙65 = 4269,2 Вт/м2 ;

─ со стороны воздуха ─

q″ = 160,18∙25,9 = 4148,8 Вт/м2 .

Как видим, q′ ≈ q″.

Расхождение между тепловыми нагрузками (2,8%) не превышает 5%, следовательно, расчет коэффициентов α1 и α2 на этом можно закончить.

Коэффициент теплопередачи равен:

К=1/(1/65,68+1/160,18+5,7∙10-4 ) = 45,3 Вт/(м2 К)

Найдем уточненное значение относительной тепловой нагрузки qср , как среднее арифметическое q′ и q″

qср = (q′ + q″)/2 = (4269,2 + 4148,8)/2 = 4209 Вт/м2

Известно, что относительная тепловая нагрузка связана с коэффициентом теплопередачи следующим образом:

q = K∙Δtср (2.14)

Тогда выражение для нахождения уточненного значения требуемой поверхности теплообмена примет вид

F = Q/(K∙Δtср ) = Q/qср (2.15)

F = 219920,85/4209 = 52,25 м2

∆ = [(58,67-52,25)/58,67]∙100% = 10,94%

Результаты уточненного расчета поверхности теплопередачи сведены в таблицу 2.3.

Таблица 2.3 ─ Результаты уточненного расчета поверхности теплопередачи

Количество

теплообменников, N

F, м 2 R е A R е B α 1 , Вт /( м 2 К ) α 2 , Вт /( м 2 К )
1 1000 24610,56 53555 65,68 160,18

2.6 Расчёт гидравлического сопротивления теплообменника

Гидравлическое сопротивление в трубном пространстве ∆pтр рассчитываем по формуле:

∆pтр = λ∙L∙z∙w 2 тр ∙ρтр /2d +[2,5(z-1)+2z]∙w 2 тр ∙ρтр /2+3 w 2 тр.ш ∙ρтр /2 (2.16)

Скорость толуола рассчитывается по формуле:

w тр = 4∙GА ∙z/(π∙d2 вн ∙n∙ρА ) (2.17)

Отсюда скорость будет равна:

w тр =4∙2,92∙1/(3,14∙0,0212 ∙747∙2,74) = 4,1 м/с

Коэффициент трения в трубах рассчитывается по формуле:

λ = 0,25{lg[e/3,7+(6,81/Reтр )0,9 ]}-2 , (2.18)

где е = Δ/dвн ─ относительная шероховатость труб; Δ ─ высота выступов шероховатостей

е = 0,0002/0,021 = 0,0095

Отсюда коэффициент трения будет равен:

λ = 0,25{lg[0,0095/3,7+ (6,81/24610,56) 0,9 ]}-2 = 0,04.

Скорость раствора в штуцерах рассчитывается по формуле:

w шт = 4∙GА /(π∙dшт 2 ∙ρА ) (2.19)

Отсюда скорость раствора в штуцерах будет равна:

w шт =4∙2,92/(3,14∙0,32 ∙2,74) = 15 м/с.

Гидравлическое сопротивление в трубном пространстве:

∆pтр = 0,04∙1∙1∙4,12 ∙2,74/(0,021∙2)+[2,5(1-1)+2∙1]∙4,12 ∙2,74/2+3∙2,74∙152 /2 = 10147 Па.

Расчётная формула для определения гидравлического сопротивления в межтрубном пространстве ∆pмтр имеет вид:

∆pмтр =3∙m∙(x+1)∙ρмтр w 2 мтр /2 Reмтр 0,2 +1,5∙x∙ρмтр 2 w 2 мтр /2+3∙ρмтр w 2 мтр.шт /2, (2.20)

где x ─ число сегментных перегородок, m ─ число рядов труб, преодолеваемых потоком теплоносителя в межтрубном пространстве.

Скорость воздуха в наиболее узком сечении межтрубного пространства площадью Sмтр = 0,143 м2 , рассчитывается по формуле:

w мтр = GВ /(Sмтр ∙ρВ ) (2.21)

w мтр =5,9∙/(0,143∙1,65) = 25 м/с

Число рядов труб, омываемых потоком в межтрубном пространстве,

__________ ___________

m = √(n-1)/3+0,25 = √(747-1)/3+0,25 = 15,78

округляя в большую сторону, получим m = 16. Число сегментных перегородок х = 0. Диаметр штуцеров к кожуха dмтр.шт = 0,3 м, скорость потока в штуцерах

w мтр.шт =5,9∙4/(3,14∙0,32 ∙1,65) = 50,6 м/с

В соответствии с формулой (2.20) сопротивление межтрубного пространства равно

∆pмтр = 3∙16∙(0+1)∙1,65∙252 /(2∙535550,2 ) + 1,5∙0∙1,652 ∙252 /2 +3∙1,65∙50,62 /2 = 9141,1 Па.

Результаты гидравлического расчета холодильника сведены в таблицу 2.4

Таблица 2.4 ─ Результаты гидравлического расчета

λ w тр , м/с w тр.шт , м/с w мтр , м/с w мтр.шт , м/с m x ΔPтр , Па ΔPмтр , Па
0,04 4,1 15 25 50,6 16 0 10147 9141,1

3 Расчет конденсатора паров толуола

Кожухотрубные конденсаторы предназначены для конденсации паров в межтрубном пространстве, а также для подогревания жидкостей за счет теплоты конденсации пара.

Рассчитаем необходимую поверхность теплообменника, в межтрубном пространстве, которого конденсируется толуол, с заданным массовым расходом GА = 2,92 кг/с, удельная теплота конденсации rА = 362031 Дж/кг, температура толуола ТА = 110,8 °С [3].

В качестве теплоносителя применяем толуол под давлением P = 0,5 МПа, который в трубном пространстве нагревается от 20 до 95 °С [3].

3.1 Определение тепловой нагрузки

Тепловая нагрузка аппарата:

QА = GА ∙rА , (3.1)

где GА ─ массовый расход толуола, кг/с; rA = 362031 Дж/кг ─ удельная теплота конденсации толуола, при его температуре tA = 110,8 °С [3].

QА = 2,92∙362031 = 1057130,52 Вт

3.2 Определение тепловой нагрузки для второго теплоносителя ─ жидкого толуола и его расхода

Тепловую нагрузку со стороны второго теплоносителя примем равной тепловой нагрузке со стороны паров толуола c учетом потерь тепла в окружающую среду:


QС = β∙QА , (3.2)

где β ─ коэффициент, учитывающий потерю тепла (примем его равным ─ 0,95).

QС = 0,95∙1057130,52 = 1004274 Вт

Расход жидкого толуола на охлаждение:

GC = QС /[cА ∙(TС2 -TС1 )], (3.2)

где cС = 2062,53 Дж/кг·град ─ теплоемкость насыщенного водяного пара, при его давлении P = 0,5 МПа, и температуре tС = 57,5 °С [3].

GC = 1004274/[2062,53∙(95-20)] = 6,5 кг/с.

3.3 Вычисление средней разности температур теплоносителей

Принимаем схему движения теплоносителей ─ противоток.

Тогда разность температур на входе ─ tвх и на выходе ─ tвых из теплообменника соответственно равны:

Δtвх = |ТАC1 | = |110,8-20| = 90,8 °С,

Δtвых = |ТАC2 | = |110,8-95| = 15,8 °С.

Средняя разность температур теплоносителей:

Δtcp ≡Δtcp.л =(Δtвх -Δtвых )/ln(Δtвх /Δtвых ) (3.4)

Δtсp = (90,8-15,8)/ln(90,8/15,8) = 42,9 °С.

Среднюю температуру толуола определяется следующим образом:

ТС = ТА - Δtcp = 110,8-42,9 = 67,9 °С


3.4 Нахождение ориентировочной поверхности теплообмена Fор и выбор рассчитываемого теплообменника

Решение вопроса о том, какой теплоноситель направить в трубное пространство, обусловлено его температурой, давлением, коррозионной активностью, способностью загрязнять поверхности теплообмена, расходом и др. В рассматриваемом примере в трубное пространство целесообразно направить толуол для охлаждения паров толуола, которые, в свою очередь, будут конденсироваться в межтрубном пространстве. Ориентировочное значение поверхности:

Fор. = Q/(K∙∆tср ), (3.5)

где К ─ приблизительное значение коэффициента теплопередачи.

В соответствии с таблицей 2.1[2] примем Кор = 400 Вт/м2 ∙К.

Fор. = 1004274/(400∙42,9) = 58,5 м2

Рассчитаем необходимое число труб, приходящееся на один ход теплообменника

n/z = 4∙GС /(π∙dвн ∙µС ∙ Reop ), (3.6)

где n ─ число труб; z ─ число ходов по трубному пространству; dвн ─ внутренний диаметр труб, м; коэффициент динамической вязкости толуола равен ─ µС = 0,3888∙ ∙10-3 Па∙с.

Примем ориентировочное значение Reop = 15000 , что соответствует развитому турбулентному режиму течения в трубах. Очевидно, такой режим возможен в теплообменнике, у которого число труб, приходящееся на один ход, равно:

─ для труб диаметром dн =20×2 мм ─

n/z = 4∙6,5/(3,14∙0,016∙0,0003888∙15000) = 88,7

─ для труб диаметром dн =25×2 мм ─

n/z = 4∙6,5/(3,14∙0,021∙0,0003888∙15000) = 67,6

В соответствии с ГОСТ 15120-79 и ГОСТ 15122-79 соотношение n/z принимает наиболее близкое к заданному значению у теплообменника параметры, которого представлены в таблице 3.1.

Таблица 3.1 ─ Параметры кожухотрубчатого теплообменника согласно ГОСТ 15120-79 и ГОСТ 15122-79

D, мм dн , мм z n L, м F , м2
600 0,02 6 316 3 60

3.5 Уточненный расчет поверхности теплопередачи

Коэффициент теплопередачи K рассчитывается по формуле (3.7):

К = (1/α1стст +rз1 + rз2 +1/α2 )-1 , (3.7)

где α1 и α2 ─ коэффициенты теплоотдачи со стороны теплоносителей, Вт/(м2 ∙К); λст ─ теплопроводность материала стенки, Вт/(м∙К); δст ─ толщина стенки, м; 1/rз1 и 1/rз2 ─ термические сопротивления слоев загрязнений с обеих сторон стенки, Вт/(м2 ∙К).

Сумма термических сопротивлений со стороны стенки и загрязнений равна:

Σδ/λ = δстст + rз1 + rз2 , (3.8)

При δст = 2 мм = 0,002 м, Для стали сталь 20 теплопроводность λст = 46,5 Вт/(м∙К). 1/rз1 = 5800 Вт/(м2 ∙К), 1/rз2 = 5800 Вт/(м2 ∙К) [3] термическое сопротивление со стороны стенки равно:

Σδ/λ = 0,002/46,5+1/5800+1/5800 = 3,88 ∙ 10-4 м2 ∙К/Вт.


Действительное число Re вычисляется по формуле:

ReС = 4∙GС ∙z/(π∙dвн ∙n∙µС ) (3.9)

ReС = 4∙6,5∙6/(3,14∙0,016∙316∙0,0003888) = 25273,28.

Коэффициент теплоотдачи со стороны толуола к стенке α2 равен:

α2 = λ/dвн (0,023∙Re0,8 ∙(Pr/Prст )0,25 ∙Pr0,4 ), (3.10)

где Ргст ─ критерий Прандтля, рассчитанный при температуре стенки tст .

РгС = cС ∙µСС = 2062,53∙0,3888 ∙10-3 /0,128 = 6,62

Температуру стенки можно определить из соотношения

tст = Tср ± Δt, (3.11)

где Tср ─ средняя температура теплоносителя, Δt ─ разность температур теплоносителя и стенки.

Расчет α2 - ведем методом последовательных приближений.

В первом приближении разность температур между толуолом и стенкой примем Δt2 = 17 °С. Тогда

tст2 = 67,9 + 17 = 84,9 °С

РгСст = cСст ∙µСстСст = 2003,9∙0,307 ∙10-3 /0,1218 = 5,05

α2 = (0,1218/0,016)∙0,023∙25273,280,8 ∙(6,62/5,05)0,25 ∙6,620,4 = 1325,14 Вт/(м2 ∙К)

Для установившегося процесса передачи тепла справедливо уравнение:


Q = α2 ∙Δt2 = Δtст /(ΣΔδ/λ) = α1 ∙Δt1 , (3.13)

где q ─ удельная тепловая нагрузка, Вт/м2 ; Δt ─ перепад температур на стенке, °С; Δt1 ─ разность между температурой стенки со стороны паров толуола и температурой самого теплоносителя, °С.

Отсюда:

Δtст = α2 ∙Δt2 ∙(Σδ/λ) = 1325,14 ∙17∙3,88 ∙10-4 = 8,75

Тогда

Δt1 = Δtср -Δtст -Δt2 = 42,9-8,75-17 = 17,15 °С

Коэффициент теплоотдачи α1 толуола, конденсирующегося на пучке горизонтально расположенных труб, определим по уравнению:

α 1 =0,72∙ε∙[(rА ∙ρж 2 ∙λж 3 ∙g)/(μж ∙dн ∙Δt2 )]1/4 , (3.14)

где rА ─ теплота конденсации паров толуола, Дж/кг; dн ─ наружный диаметр труб; ε ─ коэффициент, учитывающий то что при конденсации пара на наружной поверхности пучка из n горизонтальных труб средний коэффициент теплоотдачи несколько ниже, чем в случае одиночной трубы, вследствие утолщения пленки конденсата на трубах, расположенных ниже: аср = εα. При n > 100 приближенно можно принять ε = 0,6 [2]; ρж ; λж ; μж ─ соответственно плотность, кг/м3 ; теплопроводность Вт/(м∙К); вязкость, Па∙с; конденсата при средней температуре пленки:

tпл = TА -Δt1 /2 (3.15)

tпл = 110,8-17,15/2 = 102,23 °С


Таблица 3.2 ─ Параметры rС , ρж , λж , μж для толуола при температуре tпл = = 102,23 °С [3]

rА , кДж/кг 364674,7 μж ,10-3 ∙Па∙с 0,264
ρж , кг/м3 782,6 λж , Вт/(м∙К) 0,117

Подставляя данные таблицы 3.2 в выражение (3.14), получим:

α1 = 0,72∙0,6∙[(364674,7∙ 782,62 ∙ 0,1173 ∙ 9,81)/(0,264 ∙ 10-3 ∙ 0,02 ∙ 12,7)]1/4 = = 1104,96 Вт/(м2∙К)

Вычислим тепловые нагрузки со стороны каждого из теплоносителей:

─ со стороны паров толуола

q′ = α1 ∙Δt1 = 1104,96∙17,15 = 18950 Вт/м2 ;

─ со стороны толуола

q″ = α2 ∙Δt2 = 1327,75∙17 = 22571,75 Вт/м2 .

Как видим, q′≠q″.

Для второго приближения зададим Δt2 = 15 °С

Тогда

tст2 = 67,9+15 = 82,9 °С

РгАст = 1998,18∙0,311 ∙10-3 /0,12229 = 5,08

α2 = (0,12229/0,016)∙0,023∙25273,280,8 ∙(6,62/5,08)0,25 ∙6,620,4 = 1331,12 Вт/(м2 ∙К)

Δtст = 1331,12 ∙15∙3,88∙10-4 = 7,74 °С

Δt1 = 42,9-7,74-15 = 20,16 °С

tпл = 110,8-20,16/2 = 100,72 °С


Таблица 3.3 ─ Параметры rА , ρж , λж , μж для толуола при температуре tпл = = 100,72°С [3]

rА , кДж/кг 368700 μж ,10-3 ∙Па∙с 0,271
ρж , кг/м3 788 λж , Вт/(м∙К) 0,118

Подставляя данные таблицы 3.3 в выражение (3.14), получим:

α1 = 0,72∙0,6∙[(368700∙ 7882 ∙ 0,1183 ∙9,81)/(0,271 ∙ 10-3 ∙ 0,02 ∙ 20,16)]1/4 =

= 1041,15 Вт/(м2 ∙К)

Тепловые нагрузки со стороны каждого из теплоносителей равны:

─ со стороны паров толуола

q′ = α1 ∙Δt1 = 1041,15 ∙20,16 = 20989,5 Вт/м2 ;

─ со стороны толуола

q″ = α2 ∙Δt2 = 1331,12∙15 = 19966,8 Вт/м2 .

Очевидно, что q′≠q″.

Для третьего приближения зададим Δt2 = 15,5 °С

Тогда

tст2 = 67,9+15,5= 83,4 °С

РгАст = 2001,63∙0,309 ∙10-3 /0,122 = 5,07

α2 = (0,122/0,016)∙0,023∙25273,280,8 ∙(6,62/5,07)0,25 ∙6,620,4 = 1328,6 Вт/(м2 ∙К)

Δtст = 1328,6 ∙15,5∙3,88∙10-4 = 7 °С

Δt1 = 42,9-7-15,5 = 20,4 °С

tпл = 110,8-18,66/2 = 101,5 °С


Таблица 3.4 ─ Параметры rА , ρж , λж , μж для толуола при температуре tпл = = 101,5 °С [3]

rА , кДж/кг 366343,5 μж ,10-3 ∙Па∙с 0,27
ρж , кг/м3 785,8 λж , Вт/(м∙К) 0,1179

Подставляя данные таблицы 3.4 в выражение (3.14), получим:

α1 = 0,72∙0,6∙[(366343,5∙ 785,82 ∙ 0,11793 ∙ 9,81)/(0,27 ∙ 10-3 ∙ 0,02 ∙ 20,4)]1/4 = 1049,52 Вт/(м2 ∙К)

Тепловые нагрузки со стороны каждого из теплоносителей равны:

─ со стороны паров толуола

q′ = α1 ∙Δt1 = 1058,85∙18,66 = 21410,2 Вт/м2 ;

─ со стороны толуола

q″ = α2 ∙Δt2 = 1328,6 ∙15,5 = 20593,3 Вт/м2 .

Как видим, q′ ≈ q″.

Расхождение между тепловыми нагрузками (3,8%) не превышает 5%, следовательно, расчет коэффициентов α1 и α2 на этом можно закончить.

Коэффициент теплопередачи равен:

К=1/(1/1058,85+1/1328,6 +3,88∙10-4 ) = 479,59 Вт/(м2 К)

Найдем уточненное значение относительной тепловой нагрузки qср , как среднее арифметическое q′ и q″

qср = (q′+ q″)/2 = (21410,2 +20593,3)/2 = 21001,75 Вт/м2

Известно, что относительная тепловая нагрузка связана с коэффициентом теплопередачи следующим образом:


q=K∙Δtср (3.15)

Тогда выражение для нахождения уточненного значения требуемой поверхности теплообмена примет вид

F = Q/(K∙Δtср ) = Q/qср (3.16)

F = 1057130,52/21001,75= 50,33 м2

Данный кожухотрубный теплообменник с длиной труб L = 3 м и поверхностью F = 60 м2 , подходит с запасом:

∆ = [(60-50,33)/60]∙100% = 16 %

Результаты уточненного расчета поверхности теплопередачи сведены в таблицу 3.5.

Таблица 3.5 ─ Результаты уточненного расчета поверхности теплопередачи

F , м2 R еС

Положение

труб

α1 , Вт/(м2 ∙К) α2 , Вт/(м2 ∙К)
50,33 25273,28 горизонтально 1049,52 1328,6

3.6 Расчёт гидравлического сопротивления теплообменника

Гидравлическое сопротивление в трубном пространстве ∆pтр рассчитываем по формуле:

∆pтр = λ∙L∙z∙w2 тр ∙ρтр /2d +[2,5(z-1)+2z]∙w2 тр ∙ρтр /2+3 w2 тр.ш ∙ρтр /2 (3.17)

Скорость толуола рассчитывается по формуле:

wтр =4∙GС ∙z/(π∙d2 вн ∙n∙ρС ) (3.18)


Отсюда скорость будет равна:

wтр =4∙6,5∙6/(3,14∙0,016 2 ∙316∙830,4) = 0,739 м/с.

Коэффициент трения в трубах рассчитывается по формуле:

λ = 0,25{lg[e/3,7+(6,81/Reтр )0,9 ]}-2 , (3.19)

где е = Δ/dвн ─ относительная шероховатость труб; Δ ─ высота выступов шероховатостей

е = 0,0002/0,016 = 0,0125.

Отсюда коэффициент трения будет равен:

λ = 0,25{lg[0,0125/3,7+ (6,81/25273,28) 0,9 ]}-2 = 0,0434.

Скорость толуола в штуцерах рассчитывается по формуле:

wшт = 4∙GС /(π∙dшт 2 ∙ρС ) (3.20)

Отсюда скорость раствора в штуцерах будет равна:

w шт =4∙6,5/(3,14∙0,12 ∙830,4) = 0,997 м/с.

Гидравлическое сопротивление в трубном пространстве:

∆pтр =0,0434∙3∙6∙0,7392 ∙830,4/(0,016∙2)+[2,5(6-1)+2∙6]∙0,7392 ∙830,4/2+ 3∙830,4∙0,9972 /2 = 17864,5Па.

Результаты гидравлического расчета кожухотрубчатого конденсатора сведены в таблицу 3.6.

Таблица 3.6 ─ Результаты гидравлического расчета

λ w тр , м/с w тр.шт , м/с Δ p тр , Па
0,0434 0,739 0,997 17864,5

Заключение

В данной курсовой работе произведены теплотехнический, конструктивный и гидравлический расчеты теплообменников. На основании этих данных было подобрано следующее оборудование для проведения процесса охлаждения пара толуола и его конденсации: вертикальный холодильник и горизонтальный конденсатор.

В вертикальный одноходовой холодильник с параметрами:

— диаметр кожуха 1000 мм;

— число труб 747;

— длина труб 1 м;

— поверхность теплообмена 58,67 м2 .

поступает пар толуола (массовый расход равен 2,92 кг/с) при атмосферном давлении. Там он охлаждается со 160 °С до 110,8 °С. Охлаждающим теплоносителем служит воздух (давление 0,15 МПа, массовый расход 5,9кг/с). Который нагревается с 25 °С до 60 °С. Тепловая нагрузка со стороны толуола равна 219920,85 Вт, а со стороны воздуха — 208924,8 Вт.

Конденсация паров толуола производится в горизонтальном конденсаторе с параметрами:

— диаметр кожуха 600 мм;

— число труб 316;

— длина труб 3 м;

— число ходов 6;

— поверхность теплообмена 60 м2 .

Охлаждающим теплоносителем служит толуол (давление 0,5 МПа, массовый расход 6,5 кг/с), который нагревается с 20°С до 95 °С. Тепловая нагрузка со стороны паров толуола равна 1057130,52 Вт, со стороны толуола 1004274 Вт.


Список использованных литературных источников

1. Касаткин А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. –М.: Химия, 1973.

2. Основные процессы и аппараты химической технологии. Пособие по проектированию. Под ред. Ю. И. Дытнерского.– М.: Химия, 1991.

3. К. Ф. Павлов, П. Г. Романков, А. А. Носков. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. – Л.: Химия, 1970.

4. Калишук Д.Г., Протасов С.К., Марков В.А. Процессы и аппараты химической технологии. Методические указания к курсовому проектированию по одноименной дисциплине для студентов очного и заочного обучения. – Мн: Ротапринт БГТУ, 1992.

5. Гельперин Н. И. Основные процессы и аппараты химической технологии М.: Химия, 1981. Т. 1. 384 с.

6. Плановский А. Н., Рамм В. М., Каган С. 3. Процессы и аппараты химической технологии М.: Химия, 1967 848 с

Оценить/Добавить комментарий
Имя
Оценка
Комментарии:
Где скачать еще рефератов? Здесь: letsdoit777.blogspot.com
Евгений07:14:11 19 марта 2016
Кто еще хочет зарабатывать от 9000 рублей в день "Чистых Денег"? Узнайте как: business1777.blogspot.com ! Cпециально для студентов!
20:16:58 28 ноября 2015

Работы, похожие на Курсовая работа: Подбор теплообменника для проведения процесса охлаждения и конденсации пара толуола
Модернизация двигателя мощностью 440 квт с целью повышения их технико ...
Overview Лист1 Диаграмма1 Лист2 Sheet 1: Лист1 Пояснение к выполнению раздела дипломного проекта по охране труда "Расчёт уровней вибрации (по ...
Такой уровень форсированности обеспечен с помощью высокого наддува, что увеличивает размеры теплообменных аппаратов и потери тепла, вызывает необходимость оптимизации охлаждения во ...
Для гидравлического расчета системы охлаждения заданным является расход теплоносителя через потребители (теплообменники) по ответвлениям, а также схема расположения трубопровода и ...
Раздел: Рефераты по транспорту
Тип: реферат Просмотров: 4275 Комментариев: 3 Похожие работы
Оценило: 1 человек Средний балл: 2 Оценка: неизвестно     Скачать
Химия, элементы таблицы Менделеева
Седьмая группа периодической системы Из членов данной группы водород был рассмотрен ранее. Непосредственно следующие за ним элементы - F, Сl, Br и I ...
Содержащийся в воздухе водяной пар (наряду с углекислым газом) играет громадную роль в тепловом балансе земной поверхности: он пропускает бульшую часть солнечных лучей, но в ...
Необходимый для дыхания кислород поступает в организм человека через лёгкие, тонкие (0,004 мм) влажные стенки которых с громадной общей поверхностью (порядка 90 м2 при вдохе и 30 ...
Раздел: Рефераты по химии
Тип: реферат Просмотров: 10308 Комментариев: 6 Похожие работы
Оценило: 4 человек Средний балл: 4 Оценка: неизвестно     Скачать
Проект реконструкции цеха первичной переработки нефти и получения ...
Введение На ОАО "Сургутнефтегаз" производят дорожный битум, дизельное топливо и бензиновую фракцию. Все эти производства на сегодняшний день нашли ...
На современных установках первичной перегонки применяются теплообменники с плавающей головкой, имеющие поверхность теплообмена 300-900 м2 и длину трубок 6 и 9 м. Коэффициент ...
где - средняя температура сырья в радиантных трубах, °С; 2 - коэффициент теплоотдачи от стенки трубы к нефти, ккaл/(м2 ч гpaд); - толщина стенки трубы, м; - коэффициент ...
Раздел: Рефераты по химии
Тип: реферат Просмотров: 16043 Комментариев: 3 Похожие работы
Оценило: 3 человек Средний балл: 5 Оценка: неизвестно     Скачать
... систем энергосбережения в Украине в сегменте (ТН) тепловых насосов
ННОУ Всемирный технологический университет Программа MBA Start Магистерская аттестационная работа по программе MBA Start Продвижение прогрессивных ...
Теплообменный аппарат служат для догрева теплоносителя тепловым насосом перед подачей на "теплые полы".
Это тепло подводится через теплообменник в систему ТНУ и обусловливает непосредственное повышение коэффициента мощности теплового насоса во время эксплуатации, так как ...
Раздел: Рефераты по маркетингу
Тип: дипломная работа Просмотров: 5632 Комментариев: 2 Похожие работы
Оценило: 1 человек Средний балл: 5 Оценка: неизвестно     Скачать
Система тепло- и энергоснабжения промышленного предприятия
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ "БРЯНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ...
Тепловой расчет включает определение толщины теплоизоляционного слоя; расчет потерь тепла через изоляцию при выбранной теплоизоляционной конструкции; определение соответствующего ...
Q Вт
Раздел: Рефераты по физике
Тип: дипломная работа Просмотров: 5606 Комментариев: 3 Похожие работы
Оценило: 1 человек Средний балл: 5 Оценка: неизвестно     Скачать
Автоматизация теплового пункта гражданского здания
... крупнейшим потребителем топливно-энергетических ресурсов в стране. От нормального функционирования этих систем зависят условия теплового комфорта в ...
Тепловой пункт (ТП) - это комплекс устройств, расположенный в обособленном помещении, состоящий из элементов тепловых энергоустановок, обеспечивающих присоединение этих установок к ...
К опасному фактору в помещении теплового пункта относится очень высокая температура поверхности трубопроводов и составных частей блочного теплового пункта (теплообменник, трубы ...
Раздел: Рефераты по физике
Тип: дипломная работа Просмотров: 17032 Комментариев: 4 Похожие работы
Оценило: 1 человек Средний балл: 4 Оценка: неизвестно     Скачать
Теплообменные аппараты
СОДЕРЖАНИЕ: Введение 1. Теплообменники производителя "Риден" 1. 1. Принципиальная структура пластинчатого теплообменника 1.2. Сравнение пластинчатых ...
Как следствие, потребность в большом количестве теплой воды для мытья повлекла за собой развитие первых теплообменных аппаратов, которые в то время изготавливались либо специально ...
Такая конструкция теплообменника обеспечивает эффективную компоновку теплообменной поверхности и, соответственно, малые габариты самого аппарата.
Раздел: Промышленность, производство
Тип: реферат Просмотров: 12562 Комментариев: 2 Похожие работы
Оценило: 2 человек Средний балл: 5 Оценка: неизвестно     Скачать
Модернизация Алматинской ТЭЦ-2 путём изменения водно-химического ...
Дипломная работа По теме: Модернизация Алматинской ТЭЦ - 2 путём изменения водно-химического режима системы подготовки подпиточной воды с целью ...
... свыше ~110-120 0С поскольку ингибирующие способности ИОМСа ограниченны как по качеству исходной воды, так и по предельной температуре не воды, а стенки теплообменного аппарата.
q = К*Dtл = 4894*178 = 871179 Вт/м2;
Раздел: Рефераты по физике
Тип: дипломная работа Просмотров: 7912 Комментариев: 4 Похожие работы
Оценило: 2 человек Средний балл: 5 Оценка: неизвестно     Скачать
Реконструкция теплообменника в цехе N2 ЗАО "Каустик" с целью ...
Министерство Образования Российской Федерации Уфимский Государственный Нефтяной Технический Университет Стерлитамакский Филиал Кафедра "Оборудование ...
С учетом недостатков, указанных в разделе 1.1 настоящего дипломного проекта применительно к теплообменным аппаратам типа " элементный кожухотрубчатый ", возможны варианты замены ...
Авторами [24] был предложен вертикальный теплообменный аппарат, содержащий корпус с размещенными внутри змеевиковыми трубами, навитыми на полый центральный сердечник и ...
Раздел: Промышленность, производство
Тип: дипломная работа Просмотров: 3636 Комментариев: 2 Похожие работы
Оценило: 1 человек Средний балл: 4 Оценка: неизвестно     Скачать

Все работы, похожие на Курсовая работа: Подбор теплообменника для проведения процесса охлаждения и конденсации пара толуола (3416)

Назад
Меню
Главная
Рефераты
Благодарности
Опрос
Станете ли вы заказывать работу за деньги, если не найдете ее в Интернете?

Да, в любом случае.
Да, но только в случае крайней необходимости.
Возможно, в зависимости от цены.
Нет, напишу его сам.
Нет, забью.



Результаты(150114)
Комментарии (1830)
Copyright © 2005-2016 BestReferat.ru bestreferat@mail.ru       реклама на сайте

Рейтинг@Mail.ru