Федеральное агентство по образованию

ГОУ ВПО  «Уральский государственный технический  университет – УПИ» 

Кафедра ПАХТ

Курсовая  работа 

Расчет  теплообменного аппарата

                                                                                                           Выполнила:

                                                                                                          Проверил : 
 
 
 
 
 
 
 
 

Екатеринбург 2008

    Аннотация

  Выбран и рассчитан теплообменник типа «труба в трубе». Нагреваемая среда- метиловый спирт, охлаждаемая среда - вода. В трубное пространство подается вода, в межтрубное- метиловый спирт. Выполнены необходимые тепловые, материальные, гидравлические расчеты.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      Содержание 

Введение                                                                                                         5

1. Выбор типа и конструкции аппарата      6
2. Краткая характеристика и схема установки                7
3. Тепловые и материальные расчеты      9
4. Гидравлический расчет        13

Заключение          15

Библиография                                                                                                 16

Введение 

     Теплообменными  называют аппараты, предназначенные  для передачи теплоты от более  нагретого теплоносителя к менее  нагретому.

Известны  три основных вида переноса теплоты: теплопроводность, конвекция и лучеиспускание. Теплообмен всех этих видов может происходить одновременно, но при анализе процессов теплопередачи каждый из них целесообразно рассматривать в отдельности.

     Теплообмен  применяется для осуществления  различных технологических процессов: нагревания, охлаждения, конденсации, испарения и т. д.

     Теплообменные аппараты классифицируются по различным  признакам: назначению, компоновке, роду рабочих сред, способу передачи теплоты и др. Наиболее распространена классификация теплообменников по способу передачи теплоты, согласно которому они подразделяются на следующие типы:

1)   поверхностные, в которых оба  теплоносителя разделены поверхностью  теплообмена различной конфигурации;

2)   регенеративные, в которых процесс  передачи теплоты от горячего  теплоносителя к холодному происходит  с помощью теплоаккумулирующей  массы, называемой насадкой;

3)   смесительные, в которых теплообмен  происходит при непосредственном соприкосновении теплоносителей.

  В химической промышленности наибольшее распространение получили поверхностные теплообменники, отличающиеся разнообразием конструкций, основную группу которых представляют трубчатые теплообменники, такие как: кожухотрубные, оросительные, погруженные и "труба в трубе". 
 
 
 

1.  Выбор типа и конструкции аппарата 

Выбираем теплообменник типа «труба в трубе», который целесообразно использовать при небольших расходах теплоносителей и соответственно небольших тепловых нагрузках и площади поверхности теплообмена

Теплообменник "труба в трубе" включают несколько  расположенных друг над другом элементов, причем каждый элемент состоит из двух труб: наружной трубы большего диаметра и концентрически расположенной  внутри нее трубы меньшего диаметра. Внутренне трубы элементов соединены друг с другом последовательно; так же связаны между собой наружные трубы. Такие теплообменники изготовляют следующих типов: 1) неразборные однопоточные малогабаритные; 2) разборные одно- и двух поточные малогабаритные; 3) разборные однопоточные; 4) неразборные однопоточные; 5) разборные многопоточные. Эти теплообменники могут иметь один ход или несколько (обычно четное число) ходов.

 Выбираем одноходовый неразборный теплообменник.

Рис. 1. Неразборный теплообменник типа «труба в трубе»:

1 — теплообменная     труба:    2 — кожуховая    труба; 3— калач 
 
 
 
 
 
 

2.  Краткая характеристика и схема установки 

     Теплообменники типа «труба в трубе» (двухтрубчатые) состоят из нескольких последовательно соединенных трубчатых элементов, образованных двумя концентрически расположенными трубами (рис.2.). Один теплоноситель движется по внутренним трубам 1, а другой — по кольцевому зазору между внутренними 1 и наружными 2 трубами. Внутренние трубы соединяются калачами 3, а наружные трубы — патрубками 4. 

Рис. 2. Теплообменник типа «труба в трубе».

1- внутренние   трубы;   2-наружные   трубы;   3-калач,   4 - патрубок. 

       Благодаря небольшому поперечному сечению  в этих теплообменниках легко достигаются высокие скорости теплоносителей в как в трубах, так и в межтрубном пространстве. При значительных количествах теплоносителей теплообменник составляют из нескольких параллельных секций, присоединяемых к общим коллекторам.

       Преимущества  теплообменников "труба в трубе":

       - высокий коэффициент теплопередачи  вследствие большой скорости 
обоих теплоносителей;

       - простота изготовления.

       Недостатки  этих теплообменников:

       - громоздкость;

       - высокая стоимость ввиду большого  расхода металла на наружные 
              трубы, не участвующие в теплообмене;

       - трудность очистки межтрубного  пространства.

       Теплообменники "труба в трубе" могут использоваться, как для нагревания, так и для охлаждения.

       Нагревание  обычно производится или горячей  водой или насыщенным водяным паром, который запускается в межтрубное пространство и конденсируется на поверхности внутренней трубы. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3. Материальный и тепловой расчет

3.1. Температурный режим аппарата

Принимаем противоточную  схему движения теплоносителей.

Вода поступает в межтрубное пространство, а метиловый спирт двигается по внутренней трубе. Примем для горячего теплоносителя (воды) индекс «1» , а для холодного (метилового спирта) – индекс «2». 

Рис. 2 Схема  движения теплоносителей

3.2. Средняя разность  температур (движущая сила)

Δt_б = t_1н – t_2к = 90 – 40 = 50 ºС

Δt_м= t_1к – t_2н =   40 – 15 = 25 ºС

     Так как отношение Δt_б/Δt_м = 50/25 = 2,   то

    Δt_ср = (Δt_б + Δt_м)/2=  (50 + 25)/2 = 37,5 ºС

    Средняя температура метилового спирта:

    t_2ср = (t_2н + t_2к)/2 = (15+40)/2 = 27,5 ºС

    Средняя температура воды:

    t_2ср = t_2ср + Dt_cр = 27,5 + 37,5 = 65 °С.

3.3.    Тепловая нагрузка  аппарата:

Q = G₂c₂(t_2к - t_2н),

      где с₂=  2520 Дж/кг∙К – теплоемкость метилового спирта при 27,5 ºС

[1, рис. XI]

           G₂-  массовый расход метилового спирта .

          G₂ = 3000/3600 = 0,83 кг/с,

Q = 0,83∙2520(40 - 15) = 52500 Вт.

3.4.   Расход воды:

G₁= Q/с₁(t_1н - t_1к),

  где с₁ = 419О Дж/кг·К – теплоемкость воды при 65 ºС [1, табл. XXXIX].

G₁ = 52500/4190(90-40) = 0,25 кг/с.

5. Предварительный выбор теплообменника:

   Принимаем ориентировочный коэффициент теплопередачи                                   

             Тогда ориентировочная поверхность теплопередачи

Принимаем, что аппарат изготовленный из труб 38´3,5 (внутренняя труба) и 57´4 (наружная труба) [2, c. 61].

6. Определение скорости метилового спирта и критерия  Рейнольдса

Скорость движения метилового спирта а трубах:

 w₂ = G₂/0,785d₂² r₂ = 0,83/0,785×0,031²× 785= 1,40 м/с.

r₂ = 785 кг/м³ – плотность метилового спирта при при 27,5 ºС

[1,табл. IX]

d₂ = 0,031 м – внутренний диаметр трубы.

d₂ = 0,038-2·0,0035=0,031 м

Оптимальные условия теплообмена возможны при  турбулентном режиме движения (Re > 10000).

Критерий  Рейнольдса для метилового спирта:

Re₂ = w₂d₂r₂/m₂ = 1,40×0,031×785/0,53×10^-3 = 64281,

где  m₂ =0,53×10^-3 Па·с – вязкость метилового спирта при 27,5 ºС

[1, рис. V]

64281 >10000 - режим движения – турбулентный

7. Коэффициент теплоотдачи  от стенки к метиловому спирту

Критерий Нуссельта:

Nu₂ = 0,021×Re₂^0,8×Pr₂^0,43×(Pr₂/Pr_2ст)^0,25ε_l

    Критерий Прандтля

Pr₂ = с₂m₂/l = 25200×0,53×10^-3 /0,212 = 6,3

      l₂ = 0,212 Вт/м×К – коэффициент теплопроводности метилового спирта

    при 27,5 ºС    [1, рис. X]

         - коэффициент принимаем равным 1, а

          для нагревающейся жидкости, тогда

Nu₂ = 0,021×64281^0,8×6,3^0,43 = 325,4

a₂ = Nu₂l₂/d₂ = 325,4×0,212/0,031 =2222,6 Вт/(м²×K)

3.8. Коэффициент теплоотдачи от воды к стенке

Скорость  воды в межтрубном пространстве

w₁ = G₁/[r₁0,785(D_вн² – d_н²)] =

= 0,25/986×0,785×(0,049² – 0,038²)= 0,338 м/с,

где r₁ = 986 кг/м³ – плотность воды при 65 °С [1, табл. XXXIX],

          D_вн = 0,057-2·0,004=0,049 м – внутренний диаметр большой трубы,

          d_н = 0,038 м – наружный диаметр малой трубы.

Критерий  Рейнольдса для воды:

Re₁ = w₁d_эr₁/m₁,

    где m₁ = 0,438×10^-3 – вязкость воды при 65 °С    [1, табл. XXXIX],

          d_э – эквивалентный диаметр межтрубного пространства.

d_э = D_вн–d_н = 0,049 – 0,038 = 0,011 м

Re₁ = 0,338×0,011×986/0,438×10^-3 = 8370

При 2300< Re<10000 найдем критерий Нуссельта воспользовавшись приближенным уравнением:

Nu₁ = 0,008×Re₁^0,9×Pr₁^0,43

Критерий  Прандтля для воды Pr₁ = 2,27   [1, табл. XXXIX], тогда

Nu₁ = 0,008×8370^0,9×2,27^0,43 = 42,0

a₁ = Nu₁l₁/d_э = 42,0×0,664/0,011 =2535,3 Вт/(м²×K)

где l₁=0,664 Вт/(м×K) – теплопроводность воды при 65 °С

[1, табл. XXXIX]

3.9. Тепловое сопротивление стенки

где d = 0,0035 м – толщина стенки

      l_cт = 17,5 Вт/(м×К) – теплопроводность нерж. стали

     r₁=r₂=1/5800 м×К/Вт – тепловое сопротивление  загрязнений [1,c.531]

= (0,0035/17,5) + (1/5800) + (1/5800) = 5,45×10^-4 м×К/Вт

3.10 Коэффициент теплопередачи

К = 1/(1/2535,3+ 5,45×10^-4 + 1/222,6) = 722 Вт/(м²×К)

3.11. Поверхность теплообмена

F = Q/( KDt_ср) =52500/(722×37,5) =1,94 м²

3.12. Выбор стандартного аппарата

По ГОСТ 9930-78 [2, c. 61] выбираем стандартные неразборные элементы длиной 6,0 м, для которых поверхность теплообмена равна 0,72 м², тогда число элементов в секции составит:

N = F/F₁ =1,94/0,72 = 2,69 принимаем N = 3,

тогда общая  длина труб L=18 м: 3 элемента по 6м каждый.

4.  Гидравлический расчет

4.1. Коэффициент трения раствора трубах

Скорость  раствора в трубах: w₂ = 1,40 м/с

Относительная шероховатость:

e₂ = D/d_вн = 0,0002/0,031 = 0,0065

где D = 0,0002 м – шероховатость труб принимаем для стальных с незначительной коррозией [2, c. 14]

Коэффициент трения. Так как выполняется условие:

10/е₂ = 10/0,0065 =1538 < Re₂ < 560/e₂ = 560/0,020  = 28000

то  коэффициент трения будет равен:

l₂ = 0,11(е₂ + 68/Re₂)^0,25 = 0,11(0,0065 + 68/64281)^0,25 = 0,032

4.2. Сумма местных сопротивлений

åx =3(x₁ + x₂) = 4,5

где x₁ = 0,5 – вход в трубу [2, c.14]

      x₂ = 1,0 – выход из трубы

4.3.  Гидравлическое сопротивление трубного пространства

= (0,032×6·3/0,031 + 2,12)785×1,4²/2 =15478 Па

4. Подбор  насоса

          Требуемый напор насоса

Н = DР/(rg) =15478/(785×9,8) = 2,01 м

Объемный  секундный расход

Q = G/r = 0,83/785= 0,0011 м³/с

По  этим двум величинам выбираем центробежный насос Х8/30, для которого производительность Q = 2,4×10^-3 м³/с, напор Н = 17 м [2, c.38].

4.5. Коэффициент трения для воды в межтрубном пространстве

Скорость  воды в межтрубном пространстве w₁= 0,25 м/с

Относительная шероховатость:

e₁= D/d_э = 0,0002/0,011 = 0,018.

Так как выполняется  условие:

10/е₁ = 10/0,018 = 556 < Re₁ < 560/e₁ = 560/0,018 = 31111,

то  коэффициент трения будет равен:

l₁ = 0,11(е₁ + 68/Re₁)^0,25 = 0,11×(0,018 + 68/8370)^0,25 = 0,044

4.6. Сумма местных сопротивлений

åx = x₁ + x₂ + 4x₃ = 0,5 + 1,0 + 4×0,154 = 2,12

где x₁ = 0,5 – вход в трубу [2,c.14]

      x₂ = 1,0 – выход из трубы

      x₃ = АВ = 1,4×0,11 = 0,154 – отвод круглого сечения

4.7. Гидравлическое сопротивление межтрубного пространства

=

4.8. Подбор насоса

Требуемый напор  насоса

Н = DР/(rg) = 2324/(986×9,8) = 0,24 м

Объемный  секундный расход

Q = G / r = 0,25/986 = 2,53×10^-4 м³/с

По  этим двум величинам выбираем центробежный насос Х8/30, для которого производительность Q = 2,4×10^-3 м³/с, напор Н = 17 м [2, c.38]

Заключение

      В данном документе были произведены  материальные ,тепловые, экономические  и гидравлические расчеты на основании  которых  был выбран наиболее оптимальный  теплообменный аппарат типа «труба в трубе» по ГОСТ 9930-78 – одноходовой теплообменник с секцией, состоящей из      3  элементов длиной 6,0 м, для которых поверхность теплообмена равна 0,72м². Общая поверхность теплообмена составляет 2,16 м², общая длина труб -18 м , коэффициент теплопередачи равен 722 Вт/(м²×К) 

     Библиографический список

1. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курс про цессов и аппаратов.Л.:Химия,1987, 576 с.
2. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по           проектированию/ Под ред. Ю.И.Дытнерского. М.:Химия, 1983. 272 с.
3. Касаткин А.Г, Основные процессы и аппараты химической      технологии.    М.:Химия, 1973.