Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Теплообменник типа "Труба в трубе"

Министерство образования и науки РФ

ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого президента России Б. Н. Ельцина»

Кафедра «Процессы и аппараты химической технологии»

Курсовой проект на тему:

«РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА»

Исполнитель _________________ П. Ю. Лихачев

студент гр. Фт-48011 подпись, дата

Руководитель _________________ Г.К. Лисовая

подпись, дата

г. Екатеринбург 2011 г.

Аннотация.

В данной работе представлены расчеты поверхности теплообмена и коэффициента теплопередачи теплообменника производительностью по бензолу – 2,4 т/час.

Определены конструктивные основные размеры аппарата: теплообменник типа "труба в трубе" из внешней трубы – 89х4 мм, и внутренней трубы - 57х3,5 мм.

Показано, что выбранный теплообменник удовлетворяет технологическим требованиям процесса теплопередачи. Выполнен гидравлический расчет.

Содержание

Введение 4

1.Технологическая схема 5

2. Расчет теплообменного аппарата 6

2.1 Расход теплоты 6

2.2 Расчет объемных расходов компонентов 7

2.3 Определение температуры воды при начале 7

охлаждения бензола t_x

2.4 Расчет ориентировочной поверхности теплообмена 7

2.5 Выбор теплообменного аппарата 8

2.6 Схемы процессов теплопередачи и расчет коэффициента 8

теплопередачи в зоне конденсации бензола

2.7 Расчет коэффициента теплопередачи в зоне охлаждения 11

2.8 Расчёт поверхности теплообмена 13

3. Гидравлический расчет 14

3.1 Гидравлические сопротивления в трубном пространстве 14

3.2 Гидравлические сопротивления в межтрубном пространстве 14

Вывод 16

Список литературы 17

Введение

Теплообменные аппараты (теплообменники) применяются для осуществления теплообмена между двумя теплоносителями с целью нагрева или охлаждения одного из них. В зависимости от этого теплообменные аппараты называют подогревателями или холодильниками.

По способу передачи тепла различают следующие типы теплообменных аппаратов:

- поверхностные, в которых оба теплоносителя разделены стенкой,
причем тепло передается через поверхность стенки;

- регенеративные, в которых процесс передачи тепла от горячего
теплоносителя к холодному разделяется по времени на два периода и про
исходит при попеременном нагревании и охлаждении насадки теплообменника;

-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".

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. Для возможности очистки внутренне трубы соединяются при помощи съемных калачей.

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.

Технологическая схема.

Двухтрубчатый теплообменник является одним из наиболее простых теплообменных аппаратов. Его называют теплообменником типа «труба в трубе». Он состоит из двух труб разного диаметра: наружной 1 и внутренней 2, установленных одна в другой и образующих два канала для перехода сред.

Один теплоноситель (вода) движется по внутренней трубе, другой (бензол) по кольцевому зазору между внутренней и наружной трубами. Внутренние трубы соединяются калачами 3, а наружные – патрубками 4.

При необходимости получения большей поверхности теплопередачи возможно последовательное, параллельное и комбинированное соединение секции теплообменника с помощью коллектора.

2.Расчет теплообменника.

2.1 Расход теплоты:

80,2 → 30 (бензол)

50 ← 10 (вода)

На рисунке 2 приведена схема движения теплоносителей:

Рисунок 2 – Схема движения теплоносителей:

зона конденсации бензола; 2- зона охлаждения бензола.

Отсюда ∆t_м=20; ∆t_б=30,2.

(средняя температура воды)

(средняя температура бензола)

- средняя разность температур, равная при противотоке теплоносителей 24,75 °С.

С учетом потерь холода в размере 5% расход теплоты:

Q_1→2=k*G₁*C₁*(t₁^нач – t₁^кон) +G₁*r_конд ,

где k- коэффициент потерь, k=1,05;

G₁ - массовый расход бензола, G₁=2,4 т/ч=0,67 кг/с;

C₁– удельная теплоемкость бензола при t₁,

C₁=0, 44 ккал/(кг*ºС)=1843,6 Дж/(кг*К);

r_конд=394 кДж/кг; (скрытая теплота конденсации бензола);

Q_1→2=1,05*0,67*1843,6*(80,2-30)+0,67*394000=329,088 кВт=3,290*10⁵ Вт;

Q_1→2= Q_2→1; Q_2→1=G₂*C₂*(t₂^нач – t₂^кон);

где C₂-удельная теплоемкость воды при t_2,C₂=4190 Дж/(кг*К);

G₂=329088/(4190*(50-10))=1,96 кг/с;

2.2 Расчет объемных расходов компонентов:

V₁= G₁/ρ₁= 0, 67 кг/с / 841,5 кг/м³=0,00080 м³/с,

V₂= G₂/ρ₂= 1,960 кг/с / 995,0 кг/м³=0,00197 м³/с,

где ρ₁, ρ₂ – соответствующие плотности.

2.3 Определение температуры воды при начале охлаждения бензола t_x:

а) в зоне конденсации: Q_конд=Q₁;

Q_конд = 1,960*4190*(50– t_х) = 263980 Вт;

=> t_х = 17,9 °С;

б) в зоне охлаждения конденсата: Q_охл=Q₂;

65108 = 1,96*4190*( t_х – 10);

=> t_х = 17,9 °С.

Таким образом, температура воды в начале охлаждения конденсата бензола 17,9⁰С.

2.4 Расчет ориентировочной поверхности теплообмена

1. Зона конденсации.

Температурная схема: 80,2→80,2

17,9 ←10

Δt_м=62,3 Δt_б=70,2

Средняя температура процесса

Значение ориентировочного коэффициента теплопередачи при конденсации паров органических веществ к воде,

К_ор=300…800=550 Вт/(м²*К) [1, табл. 4.8]Тогда ориентировочное значение поверхности теплопередачи:

2. Зона охлаждения.

Температурная схема: 80,2→30

50←17,9

Δt_б=30,2 Δt_м=12,1

Средняя температура процесса

Значение коэффициента теплопередачи от органической жидкости к воде К_ор=120…270 = 195 Вт/м²*⁰С [1, табл. 4.8]Тогда ориентировочное значение поверхности теплопередачи:

Таким образом, общая поверхность теплопередачи составляет:

2.5 Выбор теплообменного аппарата

Теплообменник “труба в трубе”. Рассмотрим аппарат, изготовленный из труб 89*4 мм (наружная труба) и 57*3,5 мм (внутренняя труба). Определим скорость и критерий Рейнольдса для воды:

м/с;

Для бензола:

м/с;

, где эквивалентный диаметр

d_э =D-d=0,081-0,057=0,024 м., µ₁= 0,413 мПа*с [1, табл IX, с 516].

2.6 Схемы процессов теплопередачи и расчет коэффициента теплопередачи в зоне конденсации бензола

Составим схему процесса теплопередачи. По табл. 4.1 находим, что теплоотдача для обоих потоков описывается уравнением(4.17):

Nu =0,021*ε_l*Re^0,8 *Pr^0,43*(Pr/Pr_ст)^0,25.

Коэффициент ε_l примем равным 1, полагая, что L/d_экв>50 (табл. 4.3). Ввиду того, что температуры стенок со стороны бензола t_ст1 и воды t_ст2 пока неизвестны, примем сомножитель (Pr/Pr_ст)^0,25 равным единице для обоих потоков [это позволяет сделать сама форма уравнения (4.17)].

Рассчитаем коэффициент теплоотдачи бензола:

=1345,04 Вт/(м²*К);

где λ, ρ, g, μ, Δt = 66,17 ° С.

λ=0,118*1,163=0,137 Вт/(м*К) [1, Рис Х, с 561];

ρ=830 кг/м³ [1, табл IV, с 512];

μ=0,37 мПа*с [1, табл IX, с 516].

Критерий Прандтля для бензола при 80,2ºС:

Pr₁=C₁*µ₁/λ₁=1969,3*0,0085*10^-3/0,13=0,129,

где λ₁=0,113*1,163=0,13 Вт/(м*К)- коэффициент теплопроводности бензола.

Коэффициент теплоотдачи для воды:

Критерий Прандтля для воды при 30 ºС:

Pr₂=C₂*µ₂/λ₂=4190*0,8007*10^-3/0,616=5,45;

где λ₂=0,53*1,163=0,616 Вт/(м*К)- коэффициент теплопроводности воды.

Критерий Нуссельта для воды:

Nu₂^'=0,021*1*62320^0,8*5,45^0,43*1=298,24.

Коэффициент теплоотдачи от стенки к воде:

α₂^'= Nu₂^'* λ₂/d₂=298,24*0,616/0,050=3674,31 Вт/(м²*К).

Определим коэффициент теплопередачи: =790,12 Вт/(м²*К).

Термическое сопротивление стенки и загрязнений [1, табл. ХХVIII, XXXI]:

м²*К/Вт.

Поверхностная плотность теплового потока:

q'=k'*∆t_ср= 790,12* 66,17=52282,24 Вт/м².

Определим ориентировочно значения t_ст1 и t_ст2, исходя из того, что

q'=k'*∆t_ср= α₁^'*∆t₁^'=(1/∑r_ст)* ∆t₂^'= α₂^'*∆t₂^',

где сумма

∆t₁^'+∆t_ст^'+∆t₂^'=∆t_ср.

Найдем:

∆t₁^'= q'/ α₁^'=52282,24/1345,04=38,87 К;

∆t_ст^'= q'*∑ r_ст= 52282,24*0,00025=13,07 K;

∆t₂^'= q'/ α₂^'= 52282,24/3674,31=14,23 K

Проверка: сумма ∆t₁^', ∆t_ст^', ∆t₂^' равна ∆ t_ср:

38,87+13,07+14,23=66,17 K

Отсюда

t_ст1^'=t₁-∆t₁^'=80,2-38,87=41,33 ºС;

t_ст2^'=t₂+∆t₂^'=14+14,23=28,23 ºС.

Введем поправку в коэффициенты теплоотдачи, определив (Pr/Pr_ст)^0,25 . Критерий Прандтля для бензола при t_ст1=41,33 ºС:

Pr_ст1=C_ст1*µ_ст1/λ_ст1=1759,80*0,008*10^-3/0,145=0,097,

где C_ст1=0,42*4,19*10³=1759,80 Дж/(кг*К) [1, Рис ХI, с 562];

µ_ст1=0,008*10^-3Па*с [1, Рис VI, с 557];

λ_ст1=0,125*1,163=0,145 Вт/(м*К) [1, Рис Х, с 561];

Критерий Прандтля для воды при t_ст2=28,23 ºС.

Pr_ст2=C_ст2*µ_ст2/λ_ст2=4190*0,8360*10^-3/0,600=5,838,

где C_ст2=4190 Дж/(кг*К) [1, Рис ХI, с 562];

µ_ст2=0,8360*10^-3Па*с [1, Рис VI, с 557];

λ_ст2=0,52*1,163=0,600 Вт/(м*К) [1, Рис Х, с 561];

Коэффициенты теплоотдачи:

Для бензола α₁= α₁^'*(Pr₁/Pr_ст1)^0,25=1345,04*(0,129/0,097)^0,25=1444,41 Вт/(м²*К).

Для воды α₂= α₂^'*(Pr₂/Pr_ст2)^0,25=3674,31*(5,45/5,838)^0,25=3611,68 Вт/(м²*К).

Исправленные значения K, q, t_ст1, t_ст2:

=820, 21 Вт/(м²*К).

q=k*∆t_ср =820,21*66,17=54273,30 Вт/м².

t_ст1=t₁-q/^' α₁= 80,2- 54273,30/1444,41=42,62 ºС.

t_ст2=t₂+ q/^' α₂= 14+54273,30/3611,68= 29,03 ºС.

Дальнейшее уточнение α₁, α₂ и других величин не требуется, так как расхождение между α₁^', α₁ и α₂^', α₂ и др. не превышает 5%.

2.7 Расчет коэффициента теплопередачи в зоне охлаждения:

Коэффициент теплоотдачи для бензола:

Критерий Прандтля для бензола при 54,75ºС:

Pr₁=C₁*µ₁/λ₁=1843,6*0,413*10^-3/0,14=5,43,

где λ₁=0,12*1,163=0,14 Вт/(м*К)- коэффициент теплопроводности бензола.

Критерий Нуссельта для бензола:

Nu₁^'=0,021*1*15159^0,8*5,43^0,43*1=96,10.

Коэффициент теплоотдачи от бензола к стенке:

α₁^'= Nu₁^'* λ₁/d₁=96,10*0,14/0,024=560,6 Вт/(м²*К).

Коэффициент теплоотдачи для воды:

Критерий Прандтля для воды при 30 ºС:

Pr₂=C₂*µ₂/λ₂=4190*0,8007*10^-3/0,616=5,45;

где λ₂=0,53*1,163=0,616 Вт/(м*К)- коэффициент теплопроводности воды.

Критерий Нуссельта для воды:

Nu₂^'=0,021*1*62320^0,8*5,45^0,43*1=298,24.

Коэффициент теплоотдачи от стенки к воде:

α₂^'= Nu₂^'* λ₂/d₂=298,24*0,616/0,050=3674,31 Вт/(м²*К).

Термическое сопротивление стенки и загрязнений [1, табл. ХХVIII, XXXI]:

м²*К/Вт, где λ=46,5 Вт/(м²*К) – нержавеющая сталь.

Коэффициент теплопередачи в зоне охлаждения:

=403,88 Вт/(м²*К).

Поверхностная плотность теплового потока:

q'=k'*∆t_ср= 403,88* 19,79=7992,78 Вт/м².

Определим ориентировочно значения t_ст1 и t_ст2, исходя из того, что

q'=k'*∆t_ср= α₁^'*∆t₁^'=(1/∑r_ст)* ∆t₂^'= α₂^'*∆t₂^',

где сумма

∆t₁^'+∆t_ст^'+∆t₂^'=∆t_ср.

Найдем:

∆t₁^'= q'/ α₁^'=7992,78/560,6=14,26 К;

∆t_ст^'= q'*∑ r_ст= 7992,78*4,2*10^-4=3,36 K;

∆t₂^'= q'/ α₂^'= 7992,78/3674,31=2,17 K

Проверка: сумма ∆t₁^', ∆t_ст^', ∆t₂^' равна ∆ t_ср:

14,26+3,36+2,17=19,79 K

Отсюда

t_ст1^'=t₁-∆t₁^'=54,75-14,26=40,49 ºС;

t_ст2^'=t₂+∆t₂^'=30+2,17=32,17 ºС.

Введем поправку в коэффициенты теплоотдачи, определив (Pr/Pr_ст)^0,25 . Критерий Прандтля для бензола при t_ст1=40,49 ºС:

Pr_ст1=C_ст1*µ_ст1/λ_ст1=1738,85*0,5*10^-3/0,145=5,996,

где C_ст1=0,415*4,19*10³=1738,85 Дж/(кг*К) [1, Рис ХI, с 562];

µ_ст1=0,5*10^-3Па*с [1, Рис VI, с 557];

λ_ст1=0,125*1,163=0,145 Вт/(м*К) [1, Рис Х, с 561];

Критерий Прандтля для воды при t_ст2=32,17 ºС.

Pr_ст2=C_ст2*µ_ст2/λ_ст2=4190*0,7679*10^-3/0,616=5,223,

где C_ст2=4190 Дж/(кг*К) [1, Рис ХI, с 562];

µ_ст2=0,7679*10^-3Па*с [1, Рис VI, с 557];

λ_ст2=0,53*1,163=0,616 Вт/(м*К) [1, Рис Х, с 561];

Коэффициенты теплоотдачи:

Для бензола α₁= α₁^'*(Pr₁/Pr_ст1)^0,25=560,6*(5,43/5,996)^0,25=546,87 Вт/(м²*К).

Для воды α₂= α₂^'*(Pr₂/Pr_ст2)^0,25=3674,31*(5,45/5,223)^0,25=3713,60 Вт/(м²*К).

Исправленные значения K, q, t_ст1, t_ст2:

=397, 16 Вт/(м²*К).

q=k*∆t_ср =397,16*19,79=7859,80 Вт/м².

t_ст1=t₁-q/^' α₁= 54,75- 7859,80/546,87=40,38 ºС.

t_ст2=t₂+ q/^' α₂= 30+7859,80/3713,60= 32,12 ºС.

2.8 Расчёт поверхности теплообмена

F_ор = F_ор1+ F_ор2, где F_ор1 ==4,86м²;

F_ор2 ==8,15 м²;

F_ор =4,86+8,15=13,01 м²;

С запасом 10%: F_р = 14,4 м²;

Площадь поверхности теплообмена одного элемента длиной 9 м:

F₁= π*d_ср* L=3,14 *0,0535*9=1,51 м²;

Число элементов в секции:

шт.

3. Гидравлический расчет

3.1 Гидравлические сопротивления в трубном пространстве.

Коэффициент трения воды в трубах:

Скорость воды в трубах: w₂ = 1,003 м/с

Относительная шероховатость:

e₂ = D/d_вн = 0,0002/0,05 = 0,0040

где D = 0,0002 м – шероховатость труб [2, c.14]

Коэффициент трения. Так как выполняется условие:

10/е₂ = 10/0,005 =2500 < Re₂ < 560/e₂ = 560/0,004 = 140000

то коэффициент трения будет равен:

l₂ = 0,11(е₂ + 68/Re₂)^0,25 = 0,11(0,004 + 68/62320)^0,25 = 0,029

Сумма местных сопротивлений:

åx = x₁ + x₂ + 9x₃ = 0,5 + 1,0 + 9×0,154 = 2,89

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.

Гидравлическое сопротивление трубного пространства:

= (0,029×9·10/0,050 + 2,89)995×1,003²/2 =27572 Па

3.2 Гидравлические сопротивления в межтрубном пространстве.

Скорость бензола в межтрубном пространстве w₁= 0,31 м/с

Относительная шероховатость:

e₁= D/d_э = 0,0002/0,024 = 0,0083.

Так как выполняется условие:

10/е₁ = 10/0,0083 = 1200 < Re₁ < 560/e₁ = 560/0,0083 = 67470,

то коэффициент трения будет равен:

l₁ = 0,11(е₁ + 68/Re₁)^0,25 = 0,11×(0,0083 + 68/15159)^0,25 = 0,037

Сумма местных сопротивлений:

åx =10(x₁ + x₂) = 15,0

где x₁ = 0,5 – вход в трубу [2, c.14]