Расчет и проектирование теплообменника

ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет»

Кафедра «Процессы и аппараты химической технологии»

 

 

                                               Оценка проекта:

                                                 Члены комиссии:

 

 

 

Курсовой проект.

Расчет и проектирование теплообменника.

 

Пояснительная записка

240302 065000 0000 ПЗ

 

 

 

 

Руководитель проекта               Инюшкин Н.В

Студент                 Пайвин Е.А.

Группа Х-490501

 

 

 

 

 

 

Екатеринбург

2012

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Аннотация

 

 

В данном пояснительной записке  рассматривается методика выбора теплообменника на основании данных для курсового проектирования. В ходе расчета рассматриваются несколько вариантов теплообменников и на основании сравнения их выбирается лучший вариант. Правильный выбор теплообменника в процессах теплопередачи позволяет получить требуемую производительность, требуемое качество процесса при минимальной стоимости аппарата и минимальной занимаемой им площади.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задание по курсовому проектированию

 

Рассчитать и спроектировать ТЕПЛООБМЕННИК (холодильник, конденсатор) по следующим данным:

1. Тип аппарата выбрать.
2. Производительность аппарата:

А. По нагреваемой среде:

а) состав вода;

б) начальная температура 10 °С;

в) конечная температура 35 °С;

г) давление 1,0 ат.

Б. По охлаждаемой среде:

а) состав бензол,

б) начальная температура tкип;

в) конечная температура 80,4 °С;

г) давление 1 атм;

3. Дополнительные данные:

а) расход по охлаждаемой среде 10 т/час.

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

 

Тепловые балансы. При расчете тепловых балансов необходимо знать удельные величины теплоемкости, энтальпии (теплосодержание), теплоты фазовых или химических превращений.

Удельная теплоемкость - это количество тепла, необходимого для нагревания (или охлаждения) 1 кг вещества на 1 градус (дж/кг град). Теплоемкость характеризует способность тела аккумулировать тепло. Так как теплоемкость зависит от температуры, то различают истинную теплоемкость при данной температуре с и среднюю теплоемкость в некотором интервале температур

 

  (2.1)

где Q - количество тепла, сообщаемого единице количества вещества при изменении температуры от . В практике тепловых расчетов, как правило, приходится пользоваться средними теплоемкостями.

Удельная энтальпия i (если все расчеты вести от 0 С) определяется количеством тепла, которое необходимо для нагревания 1 кг вещества от 0 С до данной температуры, энтальпия i измеряется в Дж/кг, в технической системе ккал/кг.

  (2.2)

Удельная теплота фазовых или химических превращений r - это количество тепла, которое выделяется (или поглащается) при изменении агрегатного состояния или химическом превращении единицы массы вещества. Она измеряется Дж/кг, а в технической системе ккал/кг.

«Внутренний» метод составления  теплового баланса (с использование величин теплоемкостей). В непрерывно действующем теплообменнике

 

        

         Q

        

 

Рис. 2.1

(Рис. 2.1) осуществляется теплообмен  между двумя текучими средами,  разделенными теплопередающей перегородкой. Если в процессе теплообменна не происходит добавочного выделения или поглощения теплоты  в результате фазовых или химических превращений и нет тепловых потерь в окружающую среду, то количество тепла, переходящего от первой среды ко второй в единицу времени - тепловой поток, или тепловая нагрузка, - равно:

  (2.3)

Если процесс теплообмена происходит, в первой среде, фазовые или химические превращения (испарения жидкости, конденсация  пара, плавление, химические реакции, и т.п.), то уравнение теплового баланса имеет следующий вид:

   (2.4)

«Внешний» метод составления теплового  баланса (с использованием величин удельных энтальпий). Тепловой баланс составляется исходя из того, что количество тепла Q1, поступающего в аппарат за 1 час с входящими средами, равно количеству тепла, уходящего со средами из аппарата за то же время,

  (2.5)

где - энтальпии веществ, соответственно входящих в аппарат и выходящих из него.

В отличие от внутреннего метода составления теплового баланса, где рассматривается перераспределение  тепла между теплообменивающимися средами в самом аппарате, в  данном методе тепловой баланс составляется как бы по внешним показателям: до аппарата и после аппарат.

Из уравнения (2.5) можно определить количество тепла Q, переданного от одной среды к другой, как разность энтальпий

 (2.6)

При наличии фазовых или химических превращений в теплообменнике количество тепла, переданного от одной среды к другой,

 (2.7)

где - энтальпия продуктов превращения при температуре выхода из аппарата .

 

Кинетика теплопередачи. Различают три вида (механизма) теплопередачи: теплопроводность, конвекция и излучение.

Передача тепла теплопроводностью. Под теплопроводностью понимают переход тепловой энергии в среде без массовых ее движений относительно направления теплоперехода. 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.

Закон Фурье. Передача тепла теплопроводностью описывается законом Фурье, согласно которому количество тепла , проходящее за время через поверхность dF, нормальную к направлению теплоперехода, равно:

 (2.8)

где - коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом теплоппроводности или теплопроводностью;  - градиент температуры, т.е. изменение температуры на единицу длины в направлении теплопередачи.

Коэффициент теплопроводности. Он определяет скорость передачи тепла, т.е. количество тепла, проходящего в единицу времени через единицу поверхности тела при длине его в направлении теплопередачи, равной единице и разности температур 1 град. Наибольшее значение имеют металлы - от нескольких десятков до нескольких сотен вт/(м град). Значительно меньшие коэффициенты теплопроводности имеют твердые тела - не металлы. Теплопроводность жидкостей меньше теплопроводности большинства твердых тел. Для них колеблется в пределах десятых долей вт/(м град). Коэффициенты теплопроводности еще меньше.

Передача тепла теплопроводностью  через стенку. Количество передаваемого тепла за 1 час через плоскую стену можно подсчитать по уравнению Фурье как количество тепла, проходящего через плоскость бесконечно малой толщины dx внутри стенки:

 (2.9)

Проинтегрировав изменение температуры  по всей толщине стенки получим

 (2.10)

 

 

Из интегрального выражения  видно,  что температура t внутри плоской стенки падает по толщине стенки в направлении теплоперехода по закону прямой линии.

 

     t      

      t

       tст1

                t1

        dt

Q

 

  tст

   tст2

   dx        x      

                 x

Рис 2.2        

 

 

 

Передача тепла конвекцией.  Конвекционная теплопередача - это перенос тепла объемами среды путем взаимного их перемещения в направлении теплопередачи. Переход тепла от среды к стенке или от стенки к среде называется теплоотдачей. Количество передаваемого тепла определяется законом Ньютона:

  (2.11)

где - коэффициент теплоотдачи .

Коэффициент теплоотдачи при турбулентном движении среды. Среда, имеющая турбулентный характер движения и температуру t1 в основном ядре потока, протекая вдоль стенки с температурой передает ей свое тепло (Рис. 2.2). У стенки всегда существует тонкий пограничный слой, где имеет место ламинарное течение. В этом ламинарном слое сосредоточено основное сопротивление передачи тепла. Согласно закону Фурье:

  (2.12)

Сравнивая уравнения (2.11) и (2.12), видим, что

  (2.13)

Величину  называют толщиной приведенного слоя. Величина зависит от следующих основных факторов:

1. физических свойств текучей среды: теплопроводности, теплоемкости, вязкости, плотности
2. гидравлических условий омывания жидкостью или газом тепловоспринимающей (или теплоотдающей) поверхности: скорости и направления текучей среды относительно этой поверхности
3. пространственных условий, ограничивающих поток: диаметр, длина, форма и шероховатость поверхности.

Таким образом коэффициент теплоотдачи является функцией многих величин:     .

Функциональная связь  между критериями подобия, характеризующими теплоотдачу при турбулентном движении потока в прямых, гладких и длинных трубах, выведена методом анализа размерностей.

 (2.14)

или коротко

  (2.15)

где А, а и е - некоторые численные  величины.

Безразмерные комплексы имею наименования:

- критерий Нуссельта, включающий  в себя искомую величину коэффициента теплоотдачи (Нуссельт впервые применил теорию подобия для решения вопросов теплообмена);

- критерий Рейнольдса, определяющий  гидравлическую характеристику потока:

- критерий Прандтля, характеризующий физические свойства среды.

Определение А, а и е  производится на основе экспериментальных  исследований.

Коэффициент теплоотдачи. Наиболее часто в химической технологии встречается передача тепла от одной текучей среды к другой через разделяющую их стенку. Передача тепла от одной среды к другой складывается из трех стадий, и для установившегося процесса тепловой поток в направлении теплоперехода остается постоянным.

Тепловой поток от первой среды к стенке

  (2.16)

через стенку

  (2.17)

от стенки ко второй среде

  (2.18)

Совместное решение уравнений (2.16, 2.17, 2.18) дает:

  (2.19)

В уравнении (2.19) величина

  (2.20)

называется коэффициентом теплопередачи. В системе СИ имеет размерность .

Средняя разность температур. В основу расчетов требуемой поверхности теплообмена F для передачи заданного тепловым балансом количества тепла в единицу времени Q положено уравнение (2.19). В подавляющем большинстве случаев температуры сред в процессе теплопередачи будут изменяться в результате происходящего теплообмена, а следовательно, будет изменяться и разность температур вдоль поверхности теплообмена. Поэтому рассчитывают среднюю разность температур по длине аппарата , но так как это изменение не линейно то рассчитываю логарифмическую разность температур.

;  (2.21)

 Это доказано математическими  выкладками. При противотоке всегда требуется меньшая теплопередающая поверхность, чем при прямотоке, для передачи равного количества тепла в одинаковых условиях начальных и конечных температур сред.

В случае смешивания тока в  одном ходу теплообменника среды  движется противотоком, а в другом прямотоком. В этих случаях среднюю разность температур определяют из соотношения

 (2.22)

где - средняя логарифмическая разность температур при противотоке;   - поправочный коэффициент, который всегда меньше единицы.

Часто используемые теплообменники

 

Кожухотрубные теплообменники. Кожухотрубный теплообменник является наиболее распространенным аппаратом в следствии компактного размещения большой теплопередающей поверхности в единице объема аппарата. Поверхность теплообмена в нем образуется пучком параллельно расположенных трубок концы которых закреплены в двух трубных досках (решетках). Трубки заключены в цилиндрический кожух, приваренный к трубным доскам или соединенный с ними фланцами. К трубным решеткам крепятся на болтах распределительные головки (днища), что позволяет легко снять их и произвести чистку трубок или в случае необходимости заменить новыми. Для подачи и отвода теплообменивающихся сред в аппарате имеются штуцера. В целях предупреждения смешения сред трубки закрепляются в решетах чаще всего развальцовкой, сваркой или реже для предупреждения термических напряжений с помощью сальников.

Преимущества проведения процессов  теплообмена по принципу противотока, что обычно и выполняется в кожухотрубных теплообменных аппаратах. При этом охлаждаемую среду можно направить сверху вниз, а нагреваемую на встречу ей, или наоборот. Выбор, какую среду направить в межтрубное пространство и какую внутрь трубок, решается сопоставлением ряда условий: