методичка по теплотехники. Цель курсовой работы

Скачать 13.73 Mb.

Название	Цель курсовой работы
Анкор	методичка по теплотехники.doc
Дата	14.04.2017
Размер	13.73 Mb.
Формат файла
Имя файла	методичка по теплотехники.doc
Тип	Реферат #1062
страница	5 из 6

7.1.4. Курсовая работа №4

Тепловой и компоновочный расчёты спирального теплообменника

Задание. Произвести тепловой и компоновочный расчеты спирального теплообменника для конденсации насыщенного пара бензола с расходом G_б=1000кг/час при атмосферном давлении.

Жидкий бензол отводится при температуре конденсации насыщенных паров. Охлаждающий агент - вода с начальной температурой –t_в¹=22⁰С и конечной –t_в¹¹=32⁰C. Термическое сопротивление поверхности теплообмена со стороны бензола – 0,0001м²час*К/ккал, а со стороны воды - 0,0007м²*час*К/ккал. Температура кипения бензола при атмосферном давлении t_к=80,1⁰С, а скрытая теплота парообразования бензола – r=94,5ккал/кг.

Решение.

1. Определяем основные параметры спирального теплообменника.

Больший температурный напор ∆t_б = t_к - t_в¹ = 80,1-22 = 58,1⁰С

Меньший температурный напор ∆t_м = t_к - t_в¹¹ = 80,1-32 = 48,1⁰С

Среднелогарифмический напор
∆t=(∆t_б - ∆t_м)/ℓn(∆t_б/∆t_м) = (58,1-48,1)/ℓп(58,1/48,1)=52,9⁰С
Средняя температура охлаждающей воды
t_в = t_к - ∆t=80,1 - 52,9 = 27,2⁰С
Тепловая нагрузка (теплопроизводительность )
Q=G_бr =1000*94,5=94500ккал/час=94500*427*9,81/3600 = 109958Вт ≈ 110кВт
Здесь:

r = 94,5ккал/кг - скрытая теплота парообразования бензола при атмосферном давлении;

G_б = 1000кг/час – массовый расход бензола (задано).

Массовый расход охлаждающей воды
G_в =Q/c_р(t_в¹¹-t_в¹) =94500/(1*(32-22)) = 9450кг/час.
Здесь с_р= 1ккал/кг*К – теплоёмкость воды при средней температуре t_в=27,2⁰С.
2. Тепловой расчет спирального теплообменника.
Основные размеры канала спирального теплообменника и скорости движения теплоносителей.

2.1. Площадь поперечного сечения канала спирального теплообменника определяем по параметрам движения охлаждающей воды.

Принимаем скорость движения воды W ≈ 0,5м/c. Тогда ориентировочная площадь поперечного сечения канала
S=G_в/(ρ*w*3600)= 9450/(1000*0,5*3600) = 0,00525 м²,

где ρ = 1000кг/м³ – плотность воды

Примечание: при значении массового расхода воды, превышающем 10000кг/час, принимать скорость движения воды по зависимости
W ≈ 0,5 + (G_в - 10000)*0,5/10000,

а затем определять площадь поперечного сечения канала.
Принимая высоту канала равной в=10мм, получим ширину спирали
В=S/в=0,00525/0,01 = 0,525 м= 525 мм
С учетом конструктивных особенностей организации уплотнения каналов с торцов (рис.5 и рис.6, Приложение), принимаем ширину канала равной
В_к=0,5=500 мм.
Тогда, скорость охлаждающей воды равна
W_в=G_в/(3600*ρ_в*В_к*в)=9450/(3600*1000*0,5*0,01) = 0,525м/c
Для бензола принимаем такое же сечение канала S_б = S

Скорость движения бензола в каналах теплообменника
W_б = G_б/(3600*ρ_б*В_к*в) = 10³/3600*825*0,5*0,01=0,067м/c
Здесь ρ_б = 825кг/м³ плотность жидкого бензола на линии насыщения [2].

2.2. Определим коэффициент теплопередачи.

2.2.1. Гидравлический диаметр каналов для движения воды и бензола
d=4S/Р=4*В_к*в/(2(В_к+в))=4*0,5*0,01/(2*0,51) = 0,0196м=19,6м
Здесь S и Р – площадь поперечного сечения канала и его периметр соответственно.

1 2 3 4 5 6

Массовый расход охлаждающей воды
G_в =Q/c_р(t_в¹¹-t_в¹) =94500/(1*(32-22)) = 9450кг/час.
Здесь с_р= 1ккал/кг*К – теплоёмкость воды при средней температуре t_в=27,2⁰С.

2. Тепловой расчет кожухотрубчатого теплообменника.

2.1. Выбор типа теплообменника.

Из всех приведенных в таблице №7 (Приложение) четырехходовых теплообменников (рис.4, Приложение) наименьшее количество трубок имеет один теплообменник, у которого общее число трубок равно n=100 и, следовательно, число трубок в одном ходе равно 25.

Выбираем для расчета именно такой теплообменник, т.к. у него наибольшая скорость воды в трубках, наибольшее число Рейнольдса и, следовательно, наибольший коэффициент теплоотдачи к воде.

Диаметр корпуса этого теплообменника равен D=400мм.

2.2. Расчет коэффициента теплоотдачи от бензола к трубкам.

Для проведения теплового расчета необходимо рассчитать коэффициент теплоотдачи при конденсации паров бензола на вертикальных трубках. Это можно сделать по зависимости [1]

альфа_к = 1,15⁴√r*ρ²λ³3600/(μ∆t_бН),
где:

r = 94,5ккал/кг – скрытая теплота парообразования бензола при атмосферном давлении;

ρ – плотность бензола при средней температуре пленки бензола;

λ – коэффициент теплопроводности бензола при средней температуре пленки;

μ – динамический коэффициент вязкости бензола при средней температуре пленки;

t_бср = (t_к + t_ст.1)/2 – средняя температура пленки бензола.

∆t_б = t_к-t_ст.1-температурный напор между конденсирующимся паром бензола и наружной поверхностью стенки трубки t_ст.1;

Н - высота трубок (Н=1000мм, таблица №7).

Видно, что для расчета коэффициента теплоотдачи необходимо определить температуру стенки t_ст.1.. Поэтому, расчет проводим последовательными приближениями, задаваясь значениями t_ст.1.

Проведем два расчета:

Первый – при t_ст.1¹ = 60⁰С;

Второй – при t_ст.1¹¹ = 50⁰С

Тогда в первом расчете

∆t¹ = t_к-t_ст.1¹ = 80,1-60 = 20,1⁰С

и во втором

∆t¹¹ = t_к-t_ст.1¹¹ = 80,1 -50=30,1⁰С
В этих зависимостях верхние индексы обозначают номер расчёта.

Физические параметры бензола в первом и втором расчетах приведены в таблице №8, Приложение №2:

Параметр бензола	Первый расчет	Второй расчет
Средняя температура пленки бензола t = (t_к+t_ст.1)	(80,1+60)/2 ≈ 70⁰C	(80,1+60)/2 ≈ 70⁰C
Плотность пленки бензола	825кг/м³	829кг/м³
Коэффициент теплопроводности пленки бензола	0,114ккал/мчасК	0,115ккал/мчасК
Динамический коэффициент вязкости пленки бензола	0,354сП (сантипуаз)	0,372сП (сантипуаз)
Динамический коэффициент вязкости пленки бензола	1сП=1,0210^-4 кгс/м² технической системы единиц [3]

Коэффициент теплоотдачи от конденсирующихся паров бензола

В первом расчете (при t_ст.1¹ = 60⁰С)

альфа_к¹ = 1,15⁴√(94,5*825²*0,114³*3600)/(0,354*1,02*10^-4*20,1*1) = 953,5ккал/м^2.часК
Во втором расчете (при t_ст.1¹¹ = 50⁰С)
а

льфа_к¹¹= 1,15⁴√(94,5*829²*0,115³*3600)/(0,372*1,02*10^-4*30,1*1) =

= 859ккал/м^2.часК
2.3. Расчет коэффициента теплоотдачи от воды к стенке трубки.

Предварительно определяем режим течения воды в трубках.

Число Рейнольдса
Re= W_вd_вн/ν,
где:

W_в– скорость воды в трубках;

d_вн – внутренний диаметр трубок;

ν = 0,845*10^-6м^2./с кинематический коэффициент вязкости воды при средней температуре 27,2⁰С (таблица №1, Приложение).
W_в=G_в/(n*(πd²_вн/4)ρ)=4*9450/(25π0,021²*1000*3600) = 0,303м/c,

где:

n = 25 – число трубок в одном ходе теплообменника;

ρ = 1000кг/м³ - плотность воды;

d_вн = 0,021м - внутренний диаметр трубок.

Тогда, число Рейнольдса равно
Re=W_вd_вн/ν=0,303*0,021/0,845*10^-6=7530
Режим течения воды турбулентный и поэтому коэффициент теплоотдачи от воды можно определить по зависимости [4]
Nu=0,021 Re^0,8*Рr^0,43(Рr/Рr_ст)^0,25
или же по видоизменённой упрощенной зависимости, позволяющей произвести расчет коэффициента теплоотдачи от воды по зависимости [1]
альфа_в= А₅W^0,8_в/d_вн^0,2.
В этих зависимостях

альфа_в – коэффициент теплоотдачи от воды к трубке;

Nu=альфа_в d_вн/λ- критерий Нуссельта;

Рr= μc_р/λ - критерий Прандтля (учитывает физические свойства теплоносителя) при средней температуре теплоносителя;

Рr_ст - критерий Прандтля при температуре теплоносителя равной температуре стенки ;

-λ - коэффициент теплопроводности воды;

ρ - плотность воды;

с_р - теплоёмкость воды.

Физические параметры теплоносителя –воды берутся при его средней температуре –t_в = 27,2⁰С

А₅ = 1863(таблица№3, Приложение).

Тогда, коэффициент теплоотдачи от воды к трубке
альфа_в= А₅W^0,8_в/d_вн^0,2. = 1863*0,303^0,8/0,021^0,2 =

=1552ккал/м²часК = 1806Вт/м²К
2.4.Учтем в расчете также и термическое сопротивление стенки трубок, а также термическое сопротивление загрязнений со стороны бензола и со стороны воды.
R= R_загр.б+R_ст+R_загр.в.
Термическое сопротивление стальной трубки толщиной 2мм при коэффициенте теплопроводности стали λ = 40ккал/м*час*К равно:
R_ст= δ/ λ=0,002/40 = 0,00005м^2.часК/ккал,
а сумма термических сопротивлений загрязнений со стороны бензола, со стороны воды и термосопротивления стенки равна
R=R_загр.б+R_ст+R_загр.в.=0,0001+0,00005+0,0007=0,00085м²часК/ккал
2.6. Рассчитаем удельные тепловые потоки от бензола к стенке со стороны бензола и от стенки трубки со стороны бензола к воде в обоих вариантах расчета кожухотрубчатого теплообменника.

q₁=альфа_к*(t_к-t_cт.1) – мощность удельного теплового потока от бензола к стенке трубки.

В первом расчёте

q₁¹ = 953,5*(80,1-60) = 953,*20,1 = 19165ккал/м²час

Во втором расчёте

q₁¹¹=859*(80,1-50) = 25856ккал/м²час
q₂¹= (t_cт.1—t_в)/(R + 1/альфа_в) – мощность удельного теплового потока от стенки трубки к воде. В этом уравнении (R + 1/альфа_в) = 0,001494м²часК/ккал – термическое сопротивление от наружной стенки трубки к воде, движущейся внутри трубки.

В первом расчёте

q₂¹ = (60-27,2)/(0,00085+1/1552) = 21954ккал/м²час

Во втором расчёте

q₂¹¹ = (50-27,2)/(0,00085+1/1552) = 15261ккал/м²час
Итак, имеем

	t_ст.1,⁰C	q_1, ккал/м²час	q₂, ккал/м²час
Первый расчёт	60	19165	21954
Второй расчёт	50	25856	15261

Для обеспечения теплового баланса мощность удельного теплового потока от бензола должна быть равна мощности удельного теплового потока от трубки к воде.

Используем полученные расчетные данные для записи мощности удельных тепловых потоков в виде линейных зависимостей от температуры.

q₁=а₁+в₁t_ст.1;

1

9165 = а₁+в₁*60 Из системы уравнений получим а₁ = 59311; в₁ = -669,1

25856 = а₁+в₁*50

q₁ = 59311-669,1*t_ст1 – Уравнение для мощности удельного теплового потока от бензола (1)

q₂= а₂+в₂*t_ст1;

21954=а₂+в₂*60 Из системы уравнений получим а₂=18204; в₂=669,3

1

5261=а₂+в₂*50

q₂=-18204+669,3*t_ст.1 - Уравнение для мощности удельного теплового потока от стенки к воде (2)

Решаем совместно 1 и 2, полагая q₁=q₂, и получаем

59311-669,1t_ст.1=- 18204 +669,3t_ст.1

t_ст.1=57,9⁰С

3. Проводим проверочный тепловой расчет кожухотрубчатого теплообменника при температуре наружной поверхности стенки трубки t_ст.1=57,9⁰С

3.1. Коэффициент теплоотдачи конденсирующегося бензола.

Температурный напор на пленке конденсата
∆t = t_к-t_ст.1=80,1-59,9= 22,2⁰С
Физические параметры конденсата бензола при средней температуре

t_бcр=(80,1+57,9)²/2=69⁰C

ρ=826кг/м³; λ=0,114ккал/м*часК; μ= 0,358сП [3]

Коэффициент теплоотдачи от бензола к трубкам

альфа_к = 1,15⁴√rρ²λ³3600/(μ*1,02*10 ^{– 4}*∆t*Н) =

=1,15⁴√94,5*826²*0,114³3600/(0,358*1,02*10^-4*22,2*1) =

= 928,1ккал/м²часК

3.2. Удельный тепловой поток от бензола к стенке
q₁=альфа_к(t_к-t_cт.1) = 928,1(80,1-57,9)=20604ккал/м²час

3.3. Термическое сопротивление при теплоотдаче к воде (остается таким же, как и в предварительном расчете)
R_в = (R + 1/альфа_в) = 0,001494м²часК/ккал
3.4. Удельный тепловой поток к воде
q₂=(t_cт.1--t_в)/R_в =(57,9-27,2) / 0,001494=20549 ккал/м²часК
Т.к. q₁≈q₂_, то тепловой расчет выполнен достаточно точно.

Итак, q=20550ккал/м²час.

4. Необходимая поверхность теплообмена
F=Q/q = 94500/20550 = 4,6м²
5. По таблице №7 (Приложение) принимаем четырехходовой теплообменник с диаметром корпуса 400мм, с общим количеством трубок n=100 (n₁=25 – количество трубок в одном ходе), с поверхностью теплообмена F = 7м²; с высотой трубок 1000мм и с трубками d25/d21мм.

6. Эскизный проект рассчитанного четырёхходового вертикального кожухотрубчатого теплообменника привести на чертеже.

Для размещения трубок на трубной доске и при определении шага между трубками использовать рекомендации, приведенные в курсовой работе №1.

Диаметр патрубка для паров бензола рассчитать при скорости паров W_пб = 20-25м/с и при плотности паров бензола равной 2,7кг/м³.

Диаметр патрубка для жидкого бензола рассчитать при скорости жидкости равной W_б = 1-2м/с и при плотности бензола на линии насыщения равной 825кг/м³.

Патрубки для подвода и отвода охлаждающей воды рассчитать при скорости движения воды равной 5-7м/с и при плотности воды 1000кг/м³.

На эскизе теплообменного аппарата указать направления движения теплоносителей и изобразить разделительные стенки в крышках теплообменника.