Федеральное агентство по образованию

 

ГОУ ВПО  «Уральский государственный технический  университет – УПИ» 

Кафедра ПАХТ

  
 
 
 
 
 

Курсовая  работа 

   

Расчет  теплообменного аппарата

  
 
 
 
 

                                                                                                           Выполнила:

  

                                                                                                          Проверил : 
 
 
 
 
 
 
 
 

Екатеринбург 2008

 

     

    Аннотация

  Выбран и рассчитан теплообменник типа «труба в трубе». Нагреваемая среда- метиловый спирт, охлаждаемая среда - вода. В трубное пространство подается вода, в межтрубное- метиловый спирт. Выполнены необходимые тепловые, материальные, гидравлические расчеты.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      Содержание 

Введение                                                                                                         5

1. Выбор типа и конструкции аппарата      6
2. Краткая характеристика и схема установки                7
3. Тепловые и материальные расчеты      9
4. Гидравлический расчет        13

Заключение          15

Библиография                                                                                                 16

                      
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение 

     Теплообменными  называют аппараты, предназначенные  для передачи теплоты от более  нагретого теплоносителя к менее  нагретому.

Известны  три основных вида переноса теплоты: теплопроводность, конвекция и лучеиспускание. Теплообмен всех этих видов может происходить одновременно, но при анализе процессов теплопередачи каждый из них целесообразно рассматривать в отдельности.

     Теплообмен  применяется для осуществления  различных технологических процессов: нагревания, охлаждения, конденсации, испарения и т. д.

     Теплообменные аппараты классифицируются по различным  признакам: назначению, компоновке, роду рабочих сред, способу передачи теплоты и др. Наиболее распространена классификация теплообменников по способу передачи теплоты, согласно которому они подразделяются на следующие типы:

1)   поверхностные, в которых оба  теплоносителя разделены поверхностью  теплообмена различной конфигурации;

2)   регенеративные, в которых процесс  передачи теплоты от горячего  теплоносителя к холодному происходит  с помощью теплоаккумулирующей  массы, называемой насадкой;

3)   смесительные, в которых теплообмен  происходит при непосредственном соприкосновении теплоносителей.

  В химической промышленности наибольшее распространение получили поверхностные теплообменники, отличающиеся разнообразием конструкций, основную группу которых представляют трубчатые теплообменники, такие как: кожухотрубные, оросительные, погруженные и "труба в трубе". 
 
 
 

1.  Выбор типа и конструкции аппарата 

Выбираем теплообменник типа «труба в трубе», который целесообразно использовать при небольших расходах теплоносителей и соответственно небольших тепловых нагрузках и площади поверхности теплообмена

Теплообменник "труба в трубе" включают несколько  расположенных друг над другом элементов, причем каждый элемент состоит из двух труб: наружной трубы большего диаметра и концентрически расположенной  внутри нее трубы меньшего диаметра. Внутренне трубы элементов соединены друг с другом последовательно; так же связаны между собой наружные трубы. Такие теплообменники изготовляют следующих типов: 1) неразборные однопоточные малогабаритные; 2) разборные одно- и двух поточные малогабаритные; 3) разборные однопоточные; 4) неразборные однопоточные; 5) разборные многопоточные. Эти теплообменники могут иметь один ход или несколько (обычно четное число) ходов.

 Выбираем одноходовый неразборный теплообменник.

                                  

                               

Рис. 1. Неразборный теплообменник типа «труба в трубе»:

1 — теплообменная     труба:    2 — кожуховая    труба; 3— калач 
 
 
 
 
 
 

2.  Краткая характеристика и схема установки 

     Теплообменники типа «труба в трубе» (двухтрубчатые) состоят из нескольких последовательно соединенных трубчатых элементов, образованных двумя концентрически расположенными трубами (рис.2.). Один теплоноситель движется по внутренним трубам 1, а другой — по кольцевому зазору между внутренними 1 и наружными 2 трубами. Внутренние трубы соединяются калачами 3, а наружные трубы — патрубками 4. 

                        
 

Рис. 2. Теплообменник типа «труба в трубе».

1- внутренние   трубы;   2-наружные   трубы;   3-калач,   4 - патрубок. 

       Благодаря небольшому поперечному сечению  в этих теплообменниках легко достигаются высокие скорости теплоносителей в как в трубах, так и в межтрубном пространстве. При значительных количествах теплоносителей теплообменник составляют из нескольких параллельных секций, присоединяемых к общим коллекторам.

       Преимущества  теплообменников "труба в трубе":

       - высокий коэффициент теплопередачи  вследствие большой скорости 
обоих теплоносителей;

       - простота изготовления.

       Недостатки  этих теплообменников:

       - громоздкость;

       - высокая стоимость ввиду большого  расхода металла на наружные 
              трубы, не участвующие в теплообмене;

       - трудность очистки межтрубного  пространства.

       Теплообменники "труба в трубе" могут использоваться, как для нагревания, так и для охлаждения.

       Нагревание  обычно производится или горячей  водой или насыщенным водяным паром, который запускается в межтрубное пространство и конденсируется на поверхности внутренней трубы. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3. Материальный и тепловой расчет

3.1. Температурный режим аппарата

Принимаем противоточную  схему движения теплоносителей.

Вода поступает в межтрубное пространство, а метиловый спирт двигается по внутренней трубе. Примем для горячего теплоносителя (воды) индекс «1» , а для холодного (метилового спирта) – индекс «2». 

 

 

 
 
 
 
 

Рис. 2 Схема  движения теплоносителей

3.2. Средняя разность  температур (движущая сила)

Δt_б = t_1н – t_2к = 90 – 40 = 50 ºС

Δt_м= t_1к – t_2н =   40 – 15 = 25 ºС

     Так как отношение Δt_б/Δt_м = 50/25 = 2,   то

    Δt_ср = (Δt_б + Δt_м)/2=  (50 + 25)/2 = 37,5 ºС

    Средняя температура метилового спирта:

    t_2ср = (t_2н + t_2к)/2 = (15+40)/2 = 27,5 ºС

    Средняя температура воды:

    t_2ср = t_2ср + Dt_cр = 27,5 + 37,5 = 65 °С.

3.3.    Тепловая нагрузка  аппарата:

Q = G₂c₂(t_2к - t_2н),

      где с₂=  2520 Дж/кг∙К – теплоемкость метилового спирта при 27,5 ºС

[1, рис. XI]

           G₂-  массовый расход метилового спирта .

          G₂ = 3000/3600 = 0,83 кг/с,

Q = 0,83∙2520(40 - 15) = 52500 Вт.

3.4.   Расход воды:

G₁= Q/с₁(t_1н - t_1к),

  где с₁ = 419О Дж/кг·К – теплоемкость воды при 65 ºС [1, табл. XXXIX].

G₁ = 52500/4190(90-40) = 0,25 кг/с.

5. Предварительный выбор теплообменника:

   Принимаем ориентировочный коэффициент теплопередачи                                   

[1, табл. 4.8]

             Тогда ориентировочная поверхность теплопередачи

                                   

Принимаем, что аппарат изготовленный из труб 38´3,5 (внутренняя труба) и 57´4 (наружная труба) [2, c. 61].

6. Определение скорости метилового спирта и критерия  Рейнольдса

Скорость движения метилового спирта а трубах:

 w₂ = G₂/0,785d₂² r₂ = 0,83/0,785×0,031²× 785= 1,40 м/с.

r₂ = 785 кг/м³ – плотность метилового спирта при при 27,5 ºС

[1,табл. IX]

d₂ = 0,031 м – внутренний диаметр трубы.

d₂ = 0,038-2·0,0035=0,031 м

Оптимальные условия теплообмена возможны при  турбулентном режиме движения (Re > 10000).

Критерий  Рейнольдса для метилового спирта:

Re₂ = w₂d₂r₂/m₂ = 1,40×0,031×785/0,53×10^-3 = 64281,

где  m₂ =0,53×10^-3 Па·с – вязкость метилового спирта при 27,5 ºС

[1, рис. V]

64281 >10000 - режим движения – турбулентный

7. Коэффициент теплоотдачи  от стенки к метиловому спирту

Критерий Нуссельта:

Nu₂ = 0,021×Re₂^0,8×Pr₂^0,43×(Pr₂/Pr_2ст)^0,25ε_l

    Критерий Прандтля

Pr₂ = с₂m₂/l = 25200×0,53×10^-3 /0,212 = 6,3