Теплообменные аппараты

                               

 

 

 

2.Определение среднего  температурного напора:

 

 

 

Q_min. = 49

Q_max. =80

 

Tcр. =(119+90)/2=104,5°C

tcр.=104,5-64,5=40°C

 

Q_ср.=(80+49)/2=64,5°C

 

3.Определение сечений для прохода теплоносителей:

 

По трубам пропускаем воздух и в соответствии с давлением принимаем их массовую скорость W=20 кг/м²*сек

S_тр.=20000/(3600*20)=0,2777м²

Выбираем трубы из хромовой стали диаметром 38/33мм.

Сечение одной трубы  равно: 0,785 * 0,033²=0,000854м²

Количество труб равно: n=0,2777/0,000854=324

 

4.По таблице 14 принимаем  количество труб:

 

n=511, тогда сечение труб S_тр.=511*0,000854=0,436м²

и массовая скорость :

W=20000/(3600*0,436)=12,74кг/м²*сек

 

5.Определяем критерий Re и Pr находим по формуле:

 

Re=(W*d)/μ=(12,74*0,033)/1,89*10^-3=222,48

Pr=(H*C)/ λ=(1,89*10^-3*1006)/2,705=0,702

=   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6.Откуда находим коэффициент  теплоотдачи:

При принятом количестве труб внутренний диаметр аппарата D=800мм.

 

7. Сечение межтрубного пространства:

 

S_мтр.=

Массовая скорость воздуха:

 

W=20000/(3600*0,1351)= 41,1 кг/м²*сек

 

8.При данных условиях  коэффициент теплоотдачи для воздуха:

 

9. Коэффициент теплоотдачи: при =2м, =46,5 Вт/м*град

 

 

 

где теплоноситель со стороны горячего теплоносителя, Вт/м²·К;

       теплоноситель со стороны холодного теплоносителя, Вт/м²·К;

       толщина отдельных слоев стенки;

       термическое сопротивление стенки.

 

10. Поверхность теплообменника:

 

11. Длина труб при  расчете F по среднему диаметру труб:

Принима

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.3. Технико-экономический расчёт.

 

 

В зависимости от цели оптимизации в качестве критерия оптимальности могут быть приняты  различные параметры: габариты, масса  аппарата, удельные энергетические затраты  и т.п. Однако наиболее полным и надёжным критерием оптимальности  (КО) при выборе теплообменного аппарата принято считать универсальный технико-экономический показатель – приведённые затраты

 

П = ЕК + Э,

 

где К - капитальные затраты;

Э – эксплуатационные затраты;

Е – нормативный коэффициент эффективности капиталовложений.

В соответствии с этим критерием наиболее эффективен тот из сравниваемых аппаратов, у которого приведённые затраты минимальны, т.е.

 

КО = minП  = min(EK + Э).

 

Капитальные затраты  К складываются из затрат на изготовление аппарата и его монтаж, при чем  затраты на монтаж очень малы по сравнению со стоимостью изготовления теплообменника, и ими можно пренебречь.  Если по технологической схеме работа теплообменника неразрывно связана с работой обслуживающих его насосов или компрессоров; в капитальные затраты следует включить их полную стоимость или её часть (пропорционально доле мощности, затрачиваемой на предложение гидравлического сопротивления теплообменника, от всей необходимой мощности на перемещение теплоносителя).

 

К = Цт + β₁Цн1 + β₂Цн

 

Эксплуатационные затраты Э можно разделить на две группы: пропорциональные капитальным затратам и независящие от капитальных затрат. К первой группе относятся амортизационные отчисления (КР – определяемые коэффициентом); ко второй группе относится энергия на привод нагнетателе и стоимости теплоносителей:

 

Э = К(Ка + Кр) + Ц / N1 + N2 / τ + G1Ц1τ + G2Ц2τ

 

где  τ  - число часов работы оборудования в год;

       N1, N2 – мощности нагнетателей, затрачиваемые на предложение                  

                       гидравлических сопротивлений теплообменника;

       Цэ – цена единицы электроэнергии.

 

Поскольку при решении  задачи оптимального выбора теплообменника расходы теплоносителей G1 и G2 заданы, затраты на них можно рассматривать как постоянные, а при поиске оптимального варианта конструкции их можно исключить. Тогда приведённые затраты П на теплообменника (руб/год) можно приближённо рассчитать по формуле

 

П = (Е + Ка + Кр) * (Цт + β₁Цн1+ β₂Цн2) + (N1 + N2) * Цэτ

 

Нормативный коэффициент  эффективности капиталовложений в  химической промышленности равен  0,15 в год. Расчёт годовых амортизационных отчислений на ремонт оборудования для химической промышленности может быть приведён по средним нормам – соответственно 10% и 5% капитальных затрат.

Тогда можно принять

 

Е+Ка+Кр=0,3 1/год

Цена на теплообменники различных  конструкций Цт устанавливается  соответствующим прейскурантом  цен на химическое оборудование. Стоимость  электроэнергии принять  Цэ = 5,10руб/кВт*ч на начало 2012 года с последующей индексацией. Число часов работ оборудования за год τ = 8000.

При поиске оптимального варианта из нормализованного ряда аппаратов  сравнивают конкурентно способные  варианты по приведённым затратам с  целью выбора наилучшего варианта.

С учётом трубы и кожух  в кожухотрубчатых теплообменниках должны быть изготовленными из нержавеющей стали.

 

Расчётная часть: вариант 3.

 

Масса теплообменника: Мт/об  =2290 кг

ΔРтр = 843,86 Па

ΔРмтр = 88,26Па

Длина трубы = 4 м.

Количество труб = 240

Наружный диаметр трубы: d_н.=0,021 м.

Внутренний диаметр  трубы: d_вн.=0,025 м.

Плотность стали: р_ст.=7850 кг/м³

Толщина стенки труб: _тр.=0,002м

Найдем массу труб:

 

М тр = π  * dср * δтр * L * n * Pcт, кг

 

 М тр= 3,14*0,023 * 0,002 *4* 240*7850 = 1089 кг

 

 

где d_ср.=(d_вн.+ d_н.) = (0,021+0,025) = 0,023 м.

 2 2 

 

Рассчитаем долю масс труб от массы всего теплообменника:

 

          M _тр

С=   * 100 %

         M _т/об

 

         1089

С=             *100 % = 47,5 %

      2290

 

Рассчитаем цену за теплообменник из нержавеющей стали, зная, что цена 1кг. Нержавеющей стали 175 (Ц_ст.=175 руб.)

 

Ц т/об = Мт/об *Цст, руб.

 

 Ц т/об = 2290*175 = 400750 руб.

 

Энергетические затраты  на покачивание холодного теплоносителя  по межтрубному пространству с учетом коэффициента полезного действия насосной установки

 

n=n_н* n_дв.* n_пр.

 

n = 0,7*0,95*0,95 = 0,63

 

где n – коэффициент полезного действия насосной установки

n_н - коэффициент полезного действия насоса

n_дв. - коэффициент полезного действия двигателя

n_пр. - коэффициент полезного действия передачи

 

 

        (ΔР_мтр.* G)

        N₁ =                      , кВт

        (n*p*100)

 

 

         (843,86*8)

N₁ =    = 0,011 кВт

     (0,63*929*1000)

где n - коэффициент полезного действия насоса

 

 

G – количество нагревающей жидкости, кг/c

 

P – плотность нагревающей жидкости, кг/м³

 

Энергетические затраты  на просачивание воздуха по трубам с учетом коэффициента полезного действия насосной установки:

 

       (ΔР_тр.* g)

    N₂ =                          , кВт

       (n*p*100)

 

      (88,26*1,78)

  N₂ =                                  = 0,00025кВт

    (0,63*992*1000)

 

где n - коэффициент полезного действия насосной установки

g – количество нагреваемой жидкости, кг/с

р – плотность нагреваемой  жидкости, кг/м³

 

Приведенные затраты  равны:

 

 

        П_1кВт/ч=0,3*Ц_т/об+(N₁+N₂)*Ц_1кВт/ч*τ

 

П=0,3*400750+(0,011+0,00025)*5,10*8000 = 120684 руб.

 

где  τ – число часов работы оборудования за год, принимаем 8000 час/год

      Ц_1кВт/ч – стоимость 1 часа электроэнергии, принимаем 5,10 руб. за

                   1кВт/час.

 

Вариант 1:

 

M _т/об = 2600 кг, ∆P_тр =1219 Па, ∆P_мтр = 107,8 Па

Результаты расчёта:

M _тр = 657 кг, Ц _т/об = 455000 руб., C = 25,2%, ή= 0,63, N₁ = 0,016кВт, N₂ = 0,000307 кВт.

Приведённые затраты:

П_1к = 137165 руб.

 

Таким образом, среди  кожухотрубных лучшим оказался теплообменник  по варианту 3.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Используемая литература:

 

1. Бушмелев В.А. «Процессы и аппараты целлюлозно – бумажного производства». Издание второе, исправленное и дополненное. Издательство «Лесная промышленность», Москва 1969 г. 407 стр.Ю.Н. Болдырев «Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов целлюлозно – бумажного лесохимического и гидролизного производств». Издательство «Лесная промышленность», Москва 1973 г. 277 стр.
2. Дытнерский Ю.И. «Процессы и аппараты химической технологии». Часть 1 «Теоретические основы процессов химической технологии. Гидромеханические и тепловые процессы и аппараты». Издательство «Химия», Москва 1995г. 399 стр.
3. Жудро С.Г. «Технологическое проектирование целлюлозно – бумажных предприятий». Издание 2 – е, переработанное. Издательство «Лесная промышленность», Москва 1970 г. 221 стр.
4. Кушинский М.Н, Соболев А.П. «Курсовое проектирование по предмету процессы и аппараты химической промышленности». Издание второе, переработанное и дополненное. Издательство «Высшая школа» 1980 г. 221 стр.
5. Мухленов И.П, Авербух А.Я, Тумаркина Е.С. «Общая химическая технология». Издание третье, переработанное и дополненное. Издательство «Высшая школа» 1977 г. 285 стр.
6. Непенин Н.Н. «Производство сульфитной целлюлозы». Издание второе, переработанное. Издательство «Лесная промышленность»,Москва 1976 г. 624 стр.
7. Павлов Ф.К, Романков Г.П, Носков А.А. «Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии». Издание девятое, переработанное и дополненное. Издательство «Химия», 1976 г. Издательство «Химия», 1981 г.
8. Романков П.Г., М.И. Курочкина, Ю.Я. Мозжерин, Н.Н. Смирнов «Процессы и аппараты химической промышленности». Издательство «Химия», Ленинград 1989 г. 559 стр.
9. «Справочник бумажника» том 1. Издание второе, переработанное и дополненное. Издательство «Лесная промышленность», Москва 1964 г. 841 стр.
10. «Технология целлюлозно – бумажного производства» справочные материалы том 1(часть2). Издательство «Политехника», Санкт – Петербург 2003г. 633 стр.