Расчёт и проектирование теплообменного аппарата

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФГАОУ ВПО «Уральский Федеральный Университет

имени первого Президента России Б. Н. Ельцина»

Кафедра «Процессы и аппараты химической технологии»

 

 

 

 

 

 

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

«Расчёт и проектирование теплообменного аппарата»

Пояснительная записка.

2503. 065000. 001. ПЗ

 

 

 

Руководитель:         Ермаков С.А.

Студентка:          Архипова А.М.

Группа:          Х-400702

 

 

 

 

 

Екатеринбург  2013

Содержание

 

 

1. Аннотация.

Целью данного курсового проекта является расчет и выбор оптимального нормализованного теплообменного аппарата. Для осуществления этой цели приведена сравнительная характеристика двух типов аппаратов: типа «труба в трубе» и кожухотрубчатого теплообменных аппаратов (отличающихся гидродинамическим режимом теплоносителей).

Кратко описаны сущность и назначение процесса теплопередачи в химической технологии. При выборе теплообменного аппарата в качестве критериев оптимальности были приняты различные параметры: габариты аппаратов, их стоимость, масса, которые позволили подобрать наилучший вариант среди аппаратов различных конструкций.

 

2. Задание.

Рассчитать и спроектировать теплообменник  по следующим данным:

Производительность аппарата:

1. По  нагреваемой среде:

а) Среда – вода;

б) Начальная температура – 25°С;

в) Конечная температура – 50°С;

2. По охлаждаемой среде:0,5 кг/с

а) Среда – вода;

б) Начальная температура – 90°С;

в) Конечная температура - 20°С.

Представить:

• Пояснительную записку: аннотация, задание, введение, выбор типа и конструкции, краткая характеристика и схема аппарата, материальные и тепловые расчеты, определение конструктивных размеров, заключение, список используемой литературы.

• Графические документы (чертежи общего вида, узлов, деталей).

 

Пояснительная записка и графические документы должны отвечать требованиям ЕСКД.

 

3. Введение.

В химической промышленности осуществляются разнообразные процессы, в которых исходные материалы в результате химического взаимодействия претерпевают глубокие превращения, сопровождающиеся изменением агрегатного состояния, внутренней структуры и состава веществ. Наряду с химическими реакциями, являющимися основой химико-технологических процессов, последние обычно включают многочисленные физические (в том числе механические) и физико-химические процессы. К таким процессам относятся нагревание и охлаждение веществ, аппараты в которых этот процесс протекает называется теплообменниками. При этом способ проведения указанного процесса часто определяет возможность осуществления, эффективность и рентабельность производственного процесса в целом, т. к. является одним (а в некоторых случаях и главным) из наиболее энергозатратных.

Теплообменники, широко применяемые не только для проведения процессов теплопередачи, но также для извлечения компонентов из газовых или паровых смесей, путём их конденсации.

К данной курсовой работе по курсу «Процессы и аппараты химической технологии» изучается теория основных процессов теплопередачи, принципы устройства и методы расчёта теплообменников, используемых для проведения химических процессов.

Этот курсовой проект можно охарактеризовать как составную часть комплекса дисциплин, освещающих различные аспекты химической технологии как науки. К таким дисциплинам относятся курсы общей химической технологии и технологии конкретных отраслей химической промышленности, для которых производится подготовка инженеров (химиков-технологов).

 

4. Сущность процесса теплопередачи.

Основы теплопередачи в химической аппаратуре.

Перенос энергии в форме тепла, происходящий между телами, имеющими различную температуру, называется теплообменом. Движущей силой теплообмена является разность температур более нагретого и менее нагретого тел, при наличии которой тепло самопроизвольно переходит от более нагретого тела к менее нагретому. Теплообмен между телами представляет собой обмен энергией между молекулами, атомами и свободными электронами; в результате теплообмена интенсивность движения частиц более нагретого тела снижается, а менее нагретого – возрастает. Тела, участвующие в теплообмене, называются теплоносители.

Теплопередача - наука о процессах распространения тепла. Законы теплопередачи лежат в основе тепловых процессов (нагревание, охлаждение, конденсация пара, выпаривание и др.) и имеют большое значение для проведения многих массообменных процессов, а также и химических процессов, протекающих с подводом и отводом тепла.

Различают три способа (механизма) теплопередачи: теплопроводность, конвекция, излучение (лучеиспускание).

Теплопроводность - перенос тепла вследствие беспорядочного (теплового) движения микрочастиц, непосредственно соприкасающихся друг с другом. Такой переход тепла наиболее характерен для твердых тел. Здесь тепло передается как энергия упругих колебаний атомов и молекул около их среднего положения. Эта энергия переходит к соседним атомам и молекулам в направлении ее уменьшения, т.е. уменьшения температуры. Главную роль в переносе энергии в металлах играют свободные электроны, которые движутся хаотически подобно движению молекул газа (электронный газ).

Передача тепла теплопроводностью описывается законом Фурье:

,                                                                                          (1)

где  – количество тепла, ;

– коэффициент теплопроводности, ;

 – площадь поверхности, ;

 – время, ;

– градиент температуры.

Коэффициент теплопроводности , ,  определяет скорость передачи тепла, то есть количество тепла, проходящего в единицу времени через единицу поверхности в направлении теплопередачи при разности температур в один градус [3].

Уравнение теплопроводности плоской стенки:

,                                                                                      (2)

где  – время, ;

 – толщина стенки, ;

 – площадь поверхности, ;

– разность температур поверхностей стенки, [3].

Конвекция — перенос тепла вследствие движения и перемешивания макроскопических объемов газа или жидкости. Этот механизм передачи тепла характерен только для текучих сред. В большинстве случаев теплообмена в промышленных установках тепло передается от одной текучей среды к другой через стенку, причем если тепло передается через стенку теплопроводностью, то от горячей среды к стенке и от стенки к нагреваемой среде оно передается конвекцией. Переход тепла от среды к стенке или от стенки к среде называется теплоотдачей.

В подавляющем большинстве случаев имеет место принудительная конвекция, так как в аппаратах осуществляется обычно принудительное перемещение теплоносителей, причем поток, как правило, имеет ярко выраженный турбулентный характер.

Тепловое излучение - процесс распространения электромагнитных колебаний с различной длинной волны, обусловленный тепловым движением атомов или молекул излучающего тела.

Тепловое излучение распространяется прямолинейно и подчиняется законам преломления и отражения. Лучистая энергия, распространяясь в пространстве от тела, излучающего ее, при встрече с другим телом может полностью или частично поглощаться им, превращаясь в тепло, т.е. электромагнитные колебания, могут возбуждать тепловые колебания внутри атомов и молекул. Для одного и того же материала шероховатые, матовые поверхности лучше поглощают лучи, чем гладкие, полированные. Падающий на шероховатую поверхность луч отражается несколько раз, передавая ей этими многочисленными падениями большое количество энергии, чем луч, падающий на гладкую поверхность, и отражающийся один раз. Если же шероховатая поверхность лучше поглощает лучи, то она обладает и лучшей поглощающей способностью.

В химической промышленности широко распространены тепловые процессы — нагревание и охлаждение жидкостей и газов и конденсация паров, которые проводятся в теплообменных аппаратах (теплообменниках).

Теплообменниками называют аппараты, предназначенные для передачи тепла от одних веществ к другим. Вещества, участвующие в процессе передачи тепла, называются теплоносителями. Теплоносители, имеющие более высокую температуру, чем нагреваемая среда, и отдающие тепло, принято называть нагревающими агентами, а теплоносители с более низкой температурой, чем среда, от которой они воспринимают тепло, — охлаждающими агентами.

В качестве прямых источников тепла в химической технологии используют главным образом дымовые газы, представляющие собой газообразные продукты сгорания топлива, и электрическую энергию. Вещества, получающие тепло от этих источников и отдающие его через стенку теплообменника нагреваемой среде, носят название промежуточных теплоносителей. К числу распространенных промежуточных теплоносителей (нагревающих агентов) относятся водяной пар и горячая вода, а также так называемые высокотемпературные теплоносители — перегретая вода, минеральные масла, органические жидкости (и их пары), расплавленные соли, жидкие металлы и их сплавы.

В качестве охлаждающих агентов для охлаждения до обыкновенных температур (10—30 °С) применяют в основном воду и воздух.

Выбор теплоносителя зависит в первую очередь от требуемой температуры нагрева или охлаждения и необходимости ее регулирования. Кроме того, промышленный теплоноситель должен обеспечивать достаточно высокую интенсивность теплообмена при небольших массовых и объемных его расходах. Соответственно он должен обладать малой вязкостью, но высокими плотностью, теплоемкостью и теплотой парообразования. Желательно также, чтобы теплоноситель был негорюч, нетоксичен, термически стоек, не оказывал разрушающего влияния на материал теплообменника и вместе с тем являлся бы достаточно доступным и дешевым веществом [3].

Наиболее удобным в большинстве случаев является конденсирующий пар. Преимущества конденсирующего пара, как теплоносителя:

- он обладает большим  теплосодержанием,

- вследствие высоких коэффициентов теплоотдачи от конденсирующего пара, сопротивление переносу тепла со стороны пара мало, что позволяет проводить процесс нагревания при малой поверхности теплообмена,

- пар конденсируется  в зависимости от давления  при строго определенной температуре, что обеспечивает равномерность  и точность обогрева, легко регулируемого изменением давления,

- пар доступен и пожаробезопасен.

- пар не образует  пристенных осадков на теплопередающих поверхностях.

- обогрев паром можно  производить непосредственно смешивая его с нагреваемой средой (нагрев «острым паром»), также можно использовать нагрев паром через стенку (нагрев «глухим паром») [1].

 Теплоотдача конденсирующегося  пара. Существует два механизма: пленочный (на смачиваемой поверхности) и капельный (на несмачивающейся). Образующаяся в первом случае пленка жидкости оказывает основное сопротивление теплоотдаче от конденсирующеюся пара к стенке. Закономерности теплоотдачи определяются режимом течения пленки конденсата.

При ламинарном режиме коэффициент теплоотдачи можно определить исходя из того, что через утолщающуюся пленку конденсата, стекающею под действием силы тяжести, тепло передается теплопроводностью.

При конденсации пара на наружной поверхности трубы или стенки:

,                                                                     (3)

где - разность между температурой конденсации пара и температурой стенки;

- теплота конденсации, ;

- плотность конденсата, ;

- вязкость конденсата, ;

- высота вертикальной стенки  или трубы, .

Если коэффициент равен 1,15, а не 0,94, то эту формулу можно применять для пучка вертикальных труб.

Чем больше высота труб и разность температур между паром и стенкой, тем более вероятен турбулентный режим течения, следовательно, коэффициент теплоотдачи уменьшается. Шероховатые окисленные стенки так же снижают коэффициент теплоотдачи, так как затормаживают течение пленок конденсата, увеличивая тем самым их толщину. Определенное влияние оказывает и собственное термическое сопротивление окиси [1].

Коэффициент теплоотдачи на наружной поверхности одиночной горизонтальной трубы диаметром d имеет вид:

,                                                                            (4)

В случае конденсации водяного пара на поверхности пучка горизонтальных труб длинной :

,                                                                  (5)

где - поправочный множитель, учитывающий влияние числа туб по вертикали [6].

 

Конструкции теплообменных аппаратов

В зависимости от способа передачи тепла различают две основные группы теплообменников:

а)  поверхностные теплообменники, в которых перенос тепла между обменивающимися теплом средами происходит через разделяющую их поверхность теплообмена – глухую стенку;

б) теплообменники смещения, в которых тепло передается от одной среды к другой при их непосредственном соприкосновении

Передача тепла от одной среды к другой в большинстве случаев осуществляется в поверхностных теплообменниках, т.е. в аппаратах, где среды обмениваются теплом через разделяющую их поверхность стенку. Стенка выполняется из металла, обладающего хорошей теплопроводностью и высокой прочностью. Лишь в особых случаях, при коррозионно-активных средах, она изготовляется из керамики, стекла, графита. Поверхностные теплообменники имеют различное конструктивное оформление. Рассмотрим наиболее часто встречающиеся конструкции теплообменников.

 

Кожухотрубчатые теплообменники.

 Кожухотрубчатый теплообменник является наиболее распространенным аппаратом вследствие компактного размещения большой теплопередающей поверхности в единице объема аппарата. Поверхность теплообмена в нем (рис. 1) образуется пучком параллельно расположенных трубок 5, концы которых закреплены в двух трубных досках (решетках) 4. Трубки заключены в цилиндрический кожух 1, приваренный к трубным доскам (как это показано на рисунке) или соединенный с ними фланцами. К трубным решеткам крепятся на болтах распределительные головки (днища) 3, что позволяет легко снять их и произвести чистку трубок или в случае необходимости заменять новыми. Для подачи и отвода теплообменивающихся сред в аппарате имеются штуцеры 2 [1].