Расчет горизонтального кожухотрубчатого теплообменника для нагрева воды воздухом

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

 

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

 

Кафедра «Химическая технология переработки нефти и газа»

 

 

 

 

 

 

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

 

«Расчет горизонтального кожухотрубчатого теплообменника для нагрева воды воздухом»

 

 

 

 

 

 

Студент IV-ХТ- 1                                                                Дерявский Я.

 

Преподаватель                                                                     Скороход А.А.

 

Самара 2009

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

1. Введение………………………………………………………………....3
2. Технологическая схема установки  и ее описание…………………….4
3. Описание конструкции аппарата и обоснование его выбора………..6
4. Технологический расчет………………………………………………...8
1. Определение теплофизических свойств теплоносителей…….8
2. Определение расходов теплоносителей……………………….8
3. Определение средней скорости и критериев Рейнольдса для теплоносителей………………………………………………….9
4. Определение коэффициента теплопередачи……………….....10
5. Определение диаметров штуцеров…………………………………… 11
6. Гидравлический расчет аппарата………………………………………12
7. Список использованной литературы………………………………….13
8. Приложение1…………………………………………………………....14 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

В химической и нефтехимической промышленностях широко распространены тепловые процессы - нагревание и охлаждение, кипение и конденсация жидкостей и газов, которые проводятся в теплообменных аппаратах (теплообменниках).

Теплообменными аппаратами называют аппараты, предназначенные для передачи тепла от одних веществ к другим.

К числу наиболее применяемых теплообменников относятся кожухотрубчатые. В таких теплообменниках одна среда движется внутри труб, а другая в межтрубном пространстве. Такие теплообменники просты в изготовлении, имеют большую надежность, по сравнению с другими теплообменниками, при работе с агрессивными средами, их можно применять и при значительных скоростях теплоносителей, они имеют широкий диапазон поверхности теплообмена, технология их изготовления проста и хорошо изучена.

Применение теплообменных аппаратов различной конструкции на химических и нефтехимических производствах позволяет максимально использовать тепло или холод отходящих потоков. Важной составной частью любых установок является обвязка ее теплообменными аппаратами.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Технологическая  схема установки и ее описание

 

 

 

 

 

Рис.2.1. Схема непрерывно действующей ректификационной установки

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Принципиальная схема ректификационной установки для разделения этилового спирта и воды представлена на рис. 1. Исходная смесь забирается насосом из емкости Е-1 (2), подогревается в регенеративном теплообменном аппарате Т-1 (3) за счет воздуха до температуры кипения. Нагретая смесь поступает на разделение в ректификационную колонну К-1 (1) на тарелку питания, где состав жидкости равен составу исходной смеси .

Стекая вниз по колонне, жидкость взаимодействует с поднимающимся вверх паром, образующимся при кипении кубовой жидкости в кипятильнике Т-2 (5). Начальный состав пар примерно равен составу кубового остатка , т.е. обеднен легколетучим компонентом. В результате массообмена с жидкостью пар обогащается легколетучим компонентом. Для более полного обогащения верхнюю часть колонны орошают в соответствии с заданным флегмовым числом жидкостью (флегмой) состава , которая получается в кожухотрубчатом теплообменном аппарате  Т-3 (4) путем конденсации пара, выходящего из колонны. Часть конденсата выводится из дефлегматора в виде готового продукта разделения - дистиллята, который выводится с установки, другая часть подается в виде холодного орошения в верх колонны.

Из кубовой части самотеком непрерывно выводится кубовая жидкость –продукт, обогащенный труднолетучим компонентом, который охлаждается и частично выводится с установки.

Таким образом, в ректификационной колонне осуществляется непрерывный процесс разделения исходной бинарной смеси на дистиллят с высоким содержанием легколетучего компонента и кубовый остаток, обогащенный труднолетучим компонентом.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Описание конструкции  аппарата и обоснование его  выбора

 

Для данной курсовой работы выбираем горизонтальный кожухотрубчатый теплообменник жесткого типа. Горизонтальное расположение теплообменника обусловлено простотой его обслуживания. Расположение труб выбираем шахматное с шагом 1,3d.

Хладагент, в качестве которого выступает вода, направляем в трубное пространство теплообменника, исходя из рекомендаций [2]. Теплоноситель, в качестве которого выступает воздух, направляем в межтрубное пространство.

При выборе направления потоков выбираем противоток, так как при противоточном движении достигаем более эффективного теплообмена.

При выборе теплообменника задаемся коэффициентом теплопередачи на основании рекомендаций [2], равным 17 Вт/. При этом площадь поверхности теплообмена выбираем с запасом 10,2 % .

Характеристики теплообменного аппарата приведены ниже:

Наружный диаметр кожуха, мм                                                   600

Внутренний диаметр, мм                                                          20

Число труб                                                                                     389

Число ходов по трубам                                                                     1

Длина труб, м                                                                                    2

Поверхность теплообмена,                                                       49

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Технологический расчет

 

1. Определение теплофизических свойств теплоносителей.

 

В качестве теплоносителя в данной курсовой работе используется воздух, его целесообразно подавать в межтрубное пространство, так как при нагревании газы способны расширятся. В качестве хладагента используется вода, ее целесообразно подавать в трубное пространство теплообменника.

Вода присваиваем индекс единицу, а воздуху индекс два.

Средняя температура воды равна:

= = 32,5

Средняя температура воздуха равна:

= = 105

Теплофизические свойства теплоносителей определены по таблицам и номограммам [1] и представлены в табл.4.1.

 

Таблица 4.1.

Теплофизические свойства теплоносителей

 

Теплоноситель			с, кДж/кг		λ, Вт/м	Pr
Вода	32,5	994,3	4,18	0,760	0,6164	5,4
Воздух	105	1,87	1,02	0,022	0,0246	0,91

 

Где плотность воздуха равна:

= = 1,87

В области низких давлений ( теплоемкость, вязкость и теплопроводность веществ мало зависят от давления, поэтому в данном примере указанные свойства берутся при атмосферном давлении                   ( = 0,6 МПа, = 0,2 МПа).

 

2. Определение расходов теплоносителей

 

Составим схему теплообмена двух сред:

 

150------------------------------   60          воздух

40 ------------------------------          вода

               110                             35      

 

Найдем среднюю разность температур теплоносителей:

= = 65,5

Найдем объемный расход воды:

= = 0,01 = 0,00078 ,

Где - площадь трубного пространста:

= = 0,078

Тогда массовый расход воды будет равен:

= = 0,00078 = 0,78 .

Составим тепловой баланс аппарата для нахождения расхода воздуха:

 

 

= = 0,78 = 48906 Вт

Тогда расход воздуха равен:

= = 0,44 кг/с.

Объемный расход воздуха равен:

= = 0,235 .

 

3. Определение средней скорости и критериев Рейнольдса для теплоносителей.

 

Для воды:

= = 261,7.

Так как , режим течения воды по трубам является ламинарным.

Для воздуха:

= = 1,46 м/с.

Где - площадь межтрубного пространства теплообменника

= ) = 0,785,

- наружный диаметр  труб, =0,02

= = 2978,4.

Где - эквивалентный диаметр межтрубного пространства, равный:

= = 0,024 м.

Так как , режим течения воздуха по межтрубному пространству является неустойчиво турбулентным.

 

 

3. Определение коэффициента теплопередачи

 

Для воды:

В случае ламинарного движения потока по трубам определяющей температурой является t = 0,5 ( ). Примем  = 40 , тогда

t = (40+32,5)/2 = 36,3.

 

Определяем свойства воды при температуре 36,3 по данным [1]:

= 992,5

= 4190 кДж/кг

= 0,637 Вт/м

= 0,4

= 0,7 мПа

=4,5

= 3

  = = 226,9 = 8,2.

Следовательно, критерий Нуссельта для воды рассчитываем по уравнению [1], так как 1 и ,

= 0,5 ) = 4,1.

Тогда коэффициент теплоотдачи со стороны воды равен:

= = 163,23 Вт/.

Для воздуха:

В случае неустойчивого турбулентного режима определяющей является средняя температура воздуха  = 105 . Выбираем уравнение [1] для горизонтального расположения труб:

= = 21,8.

Тогда :

= = 20 Вт/.

Расчетный коэффициент теплопередачи без учета загрязнений стенки равен:

= = 18,7 Вт/.

Расчетный коэффициент теплопередачи с учетом загрязнений стенки.

Термическое  загрязнение со стороны воды принимается равным     = 1/4500 Вт/, термическое загрязнение со стороны воздуха принимается равным     = 1/2500 Вт/, по рекомендациям [1].

 

= = 17,2 Вт/.

 

Определим температуры стенки со стороны воды и воздуха (см.рис.4.1.).

  = 32,5 = 39,7 .

  = 105 –  = 49 .

Так как при расчете коэффициента теплоотдачи со стороны воды мы задались температурой стенки близкой К расчетной, то уточненного расчета коэффициента теплопередачи производить не требуется.

 

 

 

Рис.4.1. Принципиальная схема теплопередачи сред через плоскую стенку.

 

Площадь поверхности теплообмена равна: