Кожухотрубный теплообменник для нагревания смеси ацетон - вода до температуры кипения
Размещено на /
Федеральное агентство по образованию РФ
Государственное образовательное учреждение
Высшего профессионального образования
«Томский политехнический университет»
Химико-технологический факультет
Кафедра ТООС
Группа З5Э31
КОЖУХОТРУБЧАТЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК ДЛЯ НАГРЕВАНИЯ СМЕСИ
АЦЕТОН – ВОДА ДО ТЕМПЕРАТУРЫ КИПЕНИЯ
(вариант № 4)
Пояснительная записка к курсовому проекту по дисциплине
«Гидравлика и теплотехника»
Руководитель проекта
доцент Гусева Ж.А.
Исполнитель проекта
студент Кудрявцева Ю.А.
Томск 2007
Федеральное агентство по образованию РФ
Государственное образовательное учреждение
Высшего профессионального образования
«Томский политехнический университет»
Задание №4
на расчетную индивидуальную работу по дисциплине
“Гидравлика и теплотехника”
Выдано студенту: Кудрявцевой Ю.А.
1.Тема: Расчет теплообменника кожухотрубчатого
2. Срок сдачи законченной работы
3. Исходные данные к заданию:
Мольная доля р-ра по нк - 40%;
Расход - 22 т/ч;
Начальная температура раствора – 22С;
Давление в трубном пространстве – 1,6 ата;
Раствор – ацетон+вода;
Давление греющего водяного пара подобрать самостоятельно.
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЁТ
1.1 ТЕМПЕРАТУРНЫЙ РАСЧЁТ
1.2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕЙ ПРИ СРЕДНИХ ТЕМПЕРАТУРАХ
1.3 ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС
1.4 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОРИЕНТИРОВОЧНОЙ ТЕПЛОПЕРЕДАЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ И ПОДБОР НОРМАЛИЗОВАННОЙ КОНСТРУКЦИИ ПО СТАНДАРТАМ
1.5 УТОЧНЁННЫЙ РАСЧЁТ ТЕПЛОПЕРЕДАЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ
1.6 РАСЧЁТ ТЕПЛОВОЙ ИЗОЛЯЦИИ
2. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЁТ
3. КОНСТРУКТИВНО-МЕХАНИЧЕСКИЙ РАСЧЁТ
3.1 РАСЧЁТ ТОЛЩИНЫ ОБЕЧАЙКИ
3.2 РАСЧЁТ И ПОДБОР ШТУЦЕРОВ
3.3 РАСЧЁТ ТОЛЩИНЫ ТРУБНОЙ РЕШЁТКИ
3.4 РАСЧЁТ ОПОР АППАРАТА
3.5 РАСЧЁТ И ПОДБОР ДНИЩА И КРЫШКИ АППАРАТА
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
ВВЕДЕНИЕ
Теплопередача – это наука о процессах распространения теплоты. Различают три различных способа переноса теплоты: теплопроводность, конвекцию и тепловое излучение. В реальных установках теплота передаётся комбинированным путём, однако вклад этих трёх составляющих в общий перенос теплоты неодинаков и определяется многими условиями: природой теплоносителя, агрегатным состоянием, температурным и гидродинамическим условиям и т.д.
В промышленности теплообмен между рабочими телами (теплоносителями) происходит в специально сконструированных аппаратах, которые называются теплообменниками. Они должны отвечать определённым общим требованиям: обладать высокой тепловой производительностью и экономичностью, обеспечивать заданные технологические условия процесса, быть просты по конструкции, компактны, обладать современным техническим и эстетическим дизайном, иметь длительный срок службы, соответствовать требованиям СНИП и ведомственным правилам Госгортехнадзора. Особые требования предъявляются к обеспечению надёжности работы аппаратов, возможности автоматического регулирования режимно-технологических параметров и аварийного отклонения.
В химической технологии теплообменные аппараты довольно широко распространены, применяются в различных производствах легкой и тяжелой промышленности. Для обеспечения того или иного технологического процесса применяются различные типы теплообменных аппаратов. Основную группу теплообменных аппаратов, применяемых в промышленности, составляют поверхностные теплообменники, в которых теплота от горячего теплоносителя передается холодному теплоносителю через разделяющую их стенку. Другую группу составляют теплообменники смешения, в которых теплота передается при непосредственном соприкосновении горячего и холодного теплоносителей.
Теплообменные аппараты классифицируются:
По назначению:
холодильники;
подогреватели;
испарители;
конденсаторы.
По конструкции:
- изготовленные из труб:
теплообменники «труба в трубе»;
оросительные теплообменники;
погружные змеевиковые;
теплообменники воздушного охлаждения;
из оребренных труб;
кожухотрубчатые теплообменники.
- с неподвижной трубной решеткой;
- с линзовым компенсатором;
- с плавающей головкой;
- с U-образными трубами.
По направлению движения теплоносителя:
прямоточные;
противоточные;
с перекрестным движением.
Кожухотрубчатые теплообменные аппараты используются для практической реализации таких процессов, как нагревание (охлаждение), конденсация и испарение. Соответственно аппараты называются теплообменниками, холодильниками, конденсаторами и испарителями.
Теплообменники предназначены для проведения процесса теплообмена между теплоносителями, которые не изменяют своего агрегатного состояния в процессе теплообмена: это газо-жидкостные и жидкостно-жидкостные аппараты для проведения процессов охлаждения и нагревания.
Холодильники предназначены для охлаждения водой или другими нетоксичными, не пожаро- и не взрывоопасными хладагентами жидких и газообразных сред. Работают, как правило, в области минусовых температур.
В соответствии с ГОСТ 15120-79, ГОСТ 15118-79 и ГОСТ 15122-79 кожухотрубчатые теплообменники и холодильники изготавливают двух типов: «Н» - с неподвижными трубными решётками и «К» - с компенсатором температурных напряжений на кожухе.
Необходимость использования компенсатора определяется предельно-допустимой разностью температур стенок труб и кожуха, равной 50єС или сравнительно большой длиной теплообменных труб (более 6м).
Конденсаторы предназначены для конденсации насыщенных паров. Обычно конденсацию осуществляют на наружной поверхности пучка труб в межтрубном пространстве. В химической промышленности для нагревания жидкостей и газов за счёт теплоты конденсации насыщенных паров чаще всего используется насыщенный водяной пар.
Испарители предназначены для проведения процессов испарения жидкости при кипении. При этом жидкость кипит в трубах, а в межтрубное пространство подаётся греющий агент. В соответствии со стандартом, кожухотрубчатые испарители в этом случае могут быть только одноходовыми и вертикального исполнения [4].
Из нашего технического задания (см. выше) следует, что нам надо подобрать кожухотрубчатый теплообменник (подогреватель) для нагревания насыщенным водяным паром смеси этанол-вода до температуры кипения.
Исходя из условий, которые приведены в техническом задании целесообразно назначить теплообменник типа ТНВ (теплообменник с неподвижными трубными решётками, вертикальный) ГОСТ 15122-79.
Т.к. эти теплообменники используются при температуре жидких и газообразных сред от -70 до +3500С от 0,6 до 16 МПа поверхность теплообмена от 1 до 5000 м2 [1].
Достоинства этого теплообменного аппарата:
а) простота конструкции;
б) непрерывная передача тепла от одного теплоносителя к другому;
в) интенсивный теплообмен.
Недостатки:
а) металлоемкость;
б) температурные деформации;
в) невозможность разборки и чистки трубного пространства.
В итоге для данного процесса необходимо подобрать теплообменник типа ТНВ по ГОСТ 15122-79 и провести для него тепловой, гидравлический и конструктивно-механический расчёты.
1. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЁТ
1.1 ТЕМПЕРАТУРНЫЙ РАСЧЁТ
В нашем случае температура горячего теплоносителя (греющего водяного пара) не изменяется, а температура холодного теплоносителя (смеси ацетон-вода) увеличивается вдоль поверхности теплопередачи. Зная это, построим температурную диаграмму чистого противотока для нагрева смеси ацетон-вода водяным паром (рис. 1).
Рисунок 1.1 – Температурная диаграмма.
Из рис. 1 видим,
что
.
На рис.1.1
- температура
горячего, начальная
и конечная
температуры
холодного
теплоносителей
соответственно.
Т.к.
(см. задание на
курсовой проект),
то нам необходимо
найти
и
.
Для нахождения
конечной температуры
холодного
теплоносителя
построим диаграмму
состояния
смеси ацетон-вода
в координатах
(рис. 1.2). Для этого
составим таблицу
расчёта (табл.
1.1), основываясь
на законах
[1]:
Рауля
, (1.1)
, (1.2)
и Дальтона
, (1.3)
где
- общее давление
смеси;
,
- парциальные
давления низко-
и высококипящего
компонентов
соответственно;
и
- давления насыщенных
паров чистых
низко- и высококипящего
компонентов;
- мольная доля
низкокипящего
компонента.
При построении графика учитываем, что ацетон – низкокипящий компонент, а вода – высококипящий.
Таблица 2.1 - Расчёт для построения графика t-x [1]
|
t, °С |
Pа, мм рт. ст. |
Pв, мм рт. ст. |
П |
|
| 70 | 1200 | 200 | 1200 | 1,00 |
| 74 | 1300 | 250 | 0,90 | |
| 78 | 1500 | 290 | 0,75 | |
| 82 | 1650 | 370 | 0,65 | |
| 86 | 1850 | 440 | 0,54 | |
| 90 | 2000 | 500 | 0,47 | |
| 94 | 2200 | 600 | 0,38 | |
| 98 | 2500 | 680 | 0,29 | |
| 102 | 2650 | 720 | 0,25 | |
| 106 | 3200 | 900 | 0,13 | |
| 110 | 3600 | 1000 | 0,08 | |
| 114 | 4000 | 1200 | 0,00 |
(из
формул 1.1, 1.2 и 1.3)
Мольная доля
низкокипящего
компонента
в смеси ацетон-вода
–
(см. задание на
проект).
По рис. 1.2 определяем,
что при
.
Зададимся
давлением
греющего пара
МПа. Тогда по
[1, табл. LVII]
.
Далее по
рис.1.1 находим
,
и
по формулам
(1.5), (1.6) и (1.7) соответственно
[2]:
, (1.5)
, (1.6)
. (1.7)
Определим
средние температуры
теплоносителей
–
и
.
Т. к.
,
то [2]:
, (1.8)
. (1.9)
Определяем
температуры
стенок со стороны
теплоносителей
–
и
по формулам
(1.10) и (1.11) [3]:
, (1.10)
. (1.11)
Находим
температуру
плёнки конденсата
–
по формуле
(1.12) [1]:
. (1.12)
1.2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕЙ ПРИ СРЕДНИХ ТЕМПЕРАТУРАХ
Определяем
теплоёмкость
холодного
теплоносителя
при температуре
по формуле
(1.13) [1]:
Дж/(кг∙К),
(1.13)
где
Дж/(кг∙К)
и
Дж/(кг∙К) – удельные
теплоёмкости
ацетона и воды
соответственно
при
[1, рис. XI].
Необходимо произвести перерасчёт мольной доли в массовую, а именно по формуле [1]:
,
где
г/моль
– молярная
масса ацетона
и
г/моль
– молярная
масса смеси.
Определяем
плотность
холодного
теплоносителя
при температуре
по формуле
(1.14) [1]:
кг/м3, (1.14)
где
кг/м3
и
кг/м3 – плотности
ацетона и воды
соответственно
при
[1, табл. IV].
Определяем
динамический
коэффициент
вязкости холодного
теплоносителя
при температуре
по формуле
(1.15) [1]:
Па·с, (1.15)
где
Па·с
и
Па·с
– динамические
коэффициенты
вязкости ацетона
и воды соответственно
при
[1, табл. IX].
Определяем
коэффициент
теплопроводности
холодного
теплоносителя
при температуре
по формуле
(1.16) [1]:
Вт/(м·К), (1.16)
где
Вт/(м·К)
и
Вт/(м·К)
– коэффициенты
теплопроводности
ацетона и воды
соответственно
при
[1, рис. X].
Определяем
теплоёмкость
холодного
теплоносителя
при температуре
по формуле
(1.17) [1]:
Дж/(кг∙К),
(1.17)
где
Дж/(кг∙К)
и
Дж/(кг∙К) – удельные
теплоёмкости
ацетона и воды
соответственно
при
[1, рис. XI].
Определяем
динамический
коэффициент
вязкости холодного
теплоносителя
при температуре
по формуле
(1.18) [1]:
Па·с, (1.18)
где
Па·с
и
Па·с
– динамические
коэффициенты
вязкости ацетона
и воды соответственно
при
[1, табл. IX].
Определяем
коэффициент
теплопроводности
холодного
теплоносителя
при температуре
по формуле
(1.19) [1]:
Вт/(м·К), (1.19)
где
Вт/(м·К)
и
Вт/(м·К)
– коэффициенты
теплопроводности
ацетона и воды
соответственно
при
[1, рис. X].
1.3 ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС
Составим таблицу теплового баланса для нашего процесса (табл. 1.2):
Таблица 1.2 - Таблица теплового баланса
|
Приход (Вт) |
Расход (Вт) |
|
1. С горячим теплоносителем:
2. С холодным теплоносителем:
|
1. С горячим теплоносителем:
Если Вам нужна помощь с академической работой (курсовая, контрольная, диплом, реферат и т.д.),
обратитесь к нашим специалистам. Более 90000 специалистов готовы Вам помочь.
Бесплатные корректировки и доработки. Бесплатная оценка стоимости работы.
Нужна помощь в написании работы?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Пишем статьи РИНЦ, ВАК, Scopus.
Помогаем в публикации. Правки вносим бесплатно.
Похожие рефераты: |
;
.