ИНЖЕНЕРНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ Кафедра «Химической технологии и промышленной экологии» Самарского государственного технического университета КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА №2 Расчет теплообменного аппарата кожухотрубчатого типа Выполнил: студент 3 - ИТ - III Шибаев Владимир ____________ (подпись) Проверил: Филлипов В.В. _____________ (подпись) 2 Содержание. 1. Задание на расчет кожухотрубчатого теплообменника………………….…1 2. Расчет кожухотрубчатого теплообменника: 2.1 Расчет средней разницы температур между теплоносителями........2 2.2 Расчет средней температуры каждого теплоносителя….......……...2 2.3 Теплофизические свойства теплоносителей при их средних температурах………………………………………………………………………2 2.4 Расчет объемного и массового расхода теплоносителя.....................3 2.5 Расчет тепловой нагрузки на аппарат..................................................3 2.6 Расчет массового и объемного расхода хладагента...........................3 2.7 Расчет средней скорости потока хладагента.......................................3 2.8 Расчет критерия Рейнольдса и режим движения каждого потока....3 2.9 Расчет ориентировочных коэффициентов теплоотдачи для каждого потока……………………………………………………………………………...3 2.10 Расчет ориентировочного коэффициента теплопередачи без учета загрязнения стенки..................................................................................................5 2.11 Расчет ориентировочного коэффициента теплопередачи с учета загрязнения стенки..................................................................................................5 2.12 Расчет температуры стенки со стороны каждого потока и перерасчет значений коэффициентов теплопередачи, теплоотдачи, удельной теплопроводимости................................................................................................5 2.13 Расчет необходимой площади теплообмена......................................7 2.14 Подбор диаметров штуцеров для ввода и вывода потоков...............7 2.15 Расчет гидравлического сопротивления трубного и межтрубного пространств, исходя из допустимых скоростей их движения...........................7 3. Выводы и рекомендации..................................................................................9 4. Библиография...................................................................................................10 3 РАСЧЕТ КОЖУХОТРУБЧАТОГО ТЕПЛООБМЕННИКА t2н t1к t1н , 1 t2к 1. Расчет средней разницы температур между теплоносителями Для этого определим среднюю разность температур при прямотоке теплоносителей: 100 50 20 40 80 10 tср прям tб t м 80 10 33,662884290C tб 80 ln ln 10 tм Для этого определим среднюю разность температур при противотоке теплоносителей: 100 50 40 20 60 30 tср против tб t м 60 30 43,280851230C t 60 ln ln б 30 tм Так как внутри двух ходового кожухотрубчатого теплообменника нет четко определенного тока теплоносителей, то найдем среднюю температуру между противотоком и прямотоком, которая и будет использоваться в дальнейших расчетах: 4 t ср ср tср прям tср против 2 33,66288429+43,28085123 38,471867760C 2 Рассчитаем среднюю температуру каждого теплоносителя: 2. t ср1 t1н t1к 100 50 750 С 2 2 t ср 2 t2 н t2 к 20 40 300 С 2 2 3. Выпишем теплофизические свойства теплоносителей при их средних температурах. Таблица 1 Горячий теплоноситель (1) Хладагент (2) октан вода ρ1, кг/м3 657 4. С1, Дж/кг К μ1, Па с 2056 0,000306 λ1, Вт/(м К) 0,1095 С2, Дж/кг К μ2, Па с λ2, Вт/(м К) 996 4180 0,618 0,000804 Рассчитаем массовый и объемный расходы теплоносителя: V1 1S1 1 d12 n 1.7 3.14 0.0212 402 4 z 42 G1 V11 0,1183 657=77,7175 кг 5. ρ2, кг/м3 0,1183 м 3 с c Рассчитаем тепловую нагрузку аппарата: Так как в заданном нам процессе не происходит изменение агрегатного состояние ни вещества теплоносителя, ни вещества хладагента, то тепловая нагрузка находится по формуле Q C1G1 t1н t1к 2056 77,7175 100-50 7989354,82 Вт 6. Рассчитаем массовый и объемный расход хладагента: Исходя из теплового баланса и ранее найденной тепловой нагрузки на аппарат, получим: G2 Q 7989354,82 95,5664 кг с C2 t2 к t2 н 4180 40 20 V2 G2 2 3 95,5664 0,096 м с 996 5 7. Рассчитаем среднюю скорость хладагента: V2 2 S2 2 8. V2 V2 0,096 0,1632 м с 3.14 S2 2 2 2 2 D nd 1 402 0.025 4 4 Рассчитаем критерий Рейнольдса и режим движения каждого потока: Re1 1d1 1 1.7 0.021 657 76650>10000 1 0.000306 развитое - турбулентное движение d 2 2 D nd Re 2 2 э 2 2 2 D nd 2 2 0,1632 996 1 2 402 0.0252 0.000804 1 402 0.025 13703,0565>10000 - развитое турбулентное движение 9. Рассчитаем ориентировочные коэффициенты теплоотдачи для каждого потока. Коэффициент теплоотдачи находится по формуле Nu d э . Для расчета необходимо подобрать критериальное уравнение расчета критерия Нуссельта. Так как горячий поток движется турбулентно в прямых трубах, то критериальное уравнение для расчета критерия Нуссельта будет выглядеть так: Nu1 0.021 l Re Pr 0.8 0.43 1 Pr1 Pr1ст 0,25 , где Pr Prст 0,25 1 для охлаждающихся жидкостей при допустимой погрешности, l - коэффициент зависящий от геометрии аппарата и режима движения потока берется их таблицы 2, Pr1 критерий Прандтля. Таблица 2 Значение Re Отношение L/d 10 20 30 40 50 и более 10000 1,23 1,13 1,07 1,03 1 20000 1,18 1,1 1,05 1,02 1 6 50000 1,13 1,08 1,04 1,02 1 100000 1,1 1,06 1,03 1,02 1 1000000 1,05 1,03 1,02 1,01 1 Коэффициент Прандтля находится по формуле: Pr1 С11 1 2056 0, 000306 5,745534247 0,1095 Подставляя вышеполученное, находим критерий Нуссельта и ориентировочный коэффициент теплоотдачи: Nu1 0.021 l Re Pr 0.8 '1 0.43 1 Pr1 Pr1ст 0,25 0, 0211 766500,8 5,7455342470,43 1 334,829759 Nu1 1 334,829759 0,1095 1745,898029 Вт 2 м К d 0,021 Так как холодный поток поперечно обтекает пучок гладких труб при их шахматном расположении, при турбулентном режиме движения жидкости, то критериальное уравнение для нахождения критерия Нуссельта имеет вид: Nu2 0.4 Re Pr2 0.6 Pr Prст 0.36 Pr2 Pr2 ст 0.25 , где Pr2 критерий - Прандтля, 0,25 1 для нагревающихся жидкостей при допустимой погрешности, - коэффициент учитывающий влияние угла атаки φ находится по таблице 3. Таблица 3 φ 90 80 70 60 50 40 30 20 10 1 1 0,98 0,94 0,88 0,78 0,67 0,52 0,42 Коэффициент Прандтля находится по формуле: Pr2 С2 2 2 4180 0, 000804 5,42 0, 618 Подставляя вышеполученное, находим критерий Нуссельта и ориентировочный коэффициент теплоотдачи: 7 Nu2 0.4 Re Pr2 0.6 2 '2 0.36 Pr2 Pr2 ст 0.25 0, 4 1 13703,05650,6 5,420,36 1 359,1130 Nu2 2 Nu2 2 D nd 359,1130 0,000804 1+402 0.025 3275,2541 Вт 2 2 2 2 2 м К dэ D nd 1 402 0.025 Рассчитаем ориентировочный коэффициент теплопередачи без 10. учета загрязнений стенки K '0 1 1 1 cт 1 Вт 46,5 cт 2 , где cт м К - коэффициент теплопроводности стенки теплообменника K '0 1 1 cт 1 '1 cт '2 1 Вт 1085,6564 2 1 0.002 1 м К 1745,898029 46.5 3275,2541 Рассчитаем ориентировочный коэффициент теплопередачи с 11. учета загрязнений стенки Найдем термическое сопротивление стенки и загрязнений: rст 1 rзагр1 ст 1 1 0.002 1 м2 К 0,0004 ст rзагр 2 5800 46.5 5800 Вт Ориентировочный коэффициент теплопередачи с учетом загрязнения стенки: K' 1 1 12. ' 1 rст 1 ' 2 1 1 1 0,0004+ 1745,898029 3275,2541 789,9335 Вт м2 К Рассчитаем температуру стенки со стороны каждого потока и перерасчет значений коэффициентов теплопередачи, теплоотдачи, удельной теплопроводимости. 8 tcр 2 tcр1 tcт 2 tcт1 q 2 1 rзагр rзагр ' ' Определим ориентировочно значения tст1 и tст1 , исходя из того что q' K ' tcp 1' ; t1' 1 t2' 2' t2' r cт ' ' ' , где сумма t1 tcт t2 tср Найдем: q ' K ' tcp 789,9335 38,47186776=30390,2182 t1' q' ' 1 Вт м2 30390,2182 17,4066 K 1745,898029 ' tст q' rст 30390,2182 0,0004=11,7865 K t2' q' ' 2 30390,2182 9,2787 K 3275,2541 Проверка суммы ' t1' tcт t2' tср : 17,4066 K+11,7865 K+9,2787 K=38,4719 K=3 8,4719 0C Исходя из этого, получим ' ' 0 tcт 1 tcp1 t1 75-17,4066=57,5934 C ' ' 0 tcт 2 tcp 2 t2 30+9,2787=39,2787 C 9 Pr Prст Введем поправку к коэффициенту теплоотдачи, определив 0,25 . ' 0 Критерий Прандтля для октана при tcт1 57,5934 C Prcт1 Сст1ст1 , где Сст1 , ст1 , ст1 - найдены с помощью метода кусочно- ст1 линейной интерполяции и сведены в таблицу 4. Таблица 4 Св-ва потока (1) при t'ст1 Prcт1 Сст1, Дж/кг К μст1, Па с λст1, Вт/м К 2105,35684 0,00036 0,14824 Сст1ст1 ст1 2105,35684 0,00036 5,0938 0,14824 ' 0 Критерий Прандтля для воды при tcт 2 39,2787 C Prcт 2 Сст 2 ст 2 ст 2 , где Сст2 , ст2 , ст2 - найдены с помощью метода кусочно- линейной интерполяции и сведены в таблицу 5. Таблица 5 Свойства потока (2) при t'ст2 Prcт 2 Сст2, Дж/кг К μст2, Па с λст2, Вт/м К 4180 0,0007 0,6328 Сст 2 ст 2 ст 2 4180 0, 0007 4,41 0,6328 Коэффициенты теплоотдачи: - для октана Pr 1 1 Pr ст1 ' 1 0,25 5,7455 1745,898029 5,0938 0,25 1799,2436 Вт м2 К - для воды 10 Pr 2 2 Pr ст 2 0,25 ' 2 5,42 3275,2541 4,41 0,25 3448,5301 Вт м2 К Исправленные значения К, q, tст1, tст2 1 K 1 1 rст 1 2 1 Вт 810,6316 2 1 1 м К 0,000387838+ 1799,2436 3448,5301 q K tcp 810,6316 38,47186776=31186,5099 tcт1 tcp1 q 1 tcт 2 tcp 2 =30- q 2 Вт м2 31186,5099 =57,6669 0C 1799,2436 =30+ 31186,5099 =39,0434 0C 3448,5301 Дальнейшее уточнение α1, α2 и других величин не требуется, так как ' ' расхождение между α1, 1 и α2, 2 и других не превышает 5%. 13. Рассчитаем необходимую площадь поверхности теплообмена: Fрасч Q 7989354,82 256,1798 м 2 q 31186,5099 С запасом в 10% 14. Fрасч 281,7978 м2 Подберем диаметры штуцеров для ввода и вывода потоков, исходя из допустимых скоростей их движения: D1 4V1 1 4 0,1183 0,2977 м 3.14 1.7 Выбираем из стандартного ряда диаметр входного и выходного штуцера для горячего потока D2 4V2 2 Dy 400 мм 4 0,096 0,8653 м 3.14 0,1632 Выбираем из стандартного ряда диаметр входного и выходного штуцера для холодного потока Dy 500 мм , так как расчетное значение больше чем стандартное изделие, то необходимо увеличить количество штуцеров для холодного потока. 11 15. Рассчитаем гидравлическое сопротивление трубного и межтрубного пространств. Гидравлическое сопротивление в трубном и межтрубном пространстве складывается потерь на трение и местных сопротивлений. 2 L hпот1 i 1 d 2g , где 0,316 Re 0.25 - формула Блазиуса, для турбулентного движения в гладких трубах, i - сумма коэффициентов учитывающих разные местные сопротивления, в частности для трубного пространства характерны местные сопротивления вида: «вход в трубу», «выход из трубы», где таких местных сопротивлений n штук (n – количество трубок). Исходя из этого i 402 0, 2 0, 2 1 1 964,8 . Тогда гидравлическое сопротивление: 2 5 0,316 1, 7 2 L hпот1 i 1 964,8 2 9,8 6915,1248 м 0,25 d 2 g 76650 0, 021 Гидравлическое сопротивление в межтрубном пространстве: hпот 2 L 22 i dэ 2 g , где i - сумма коэффициентов учитывающих разные местные сопротивления, в частности для трубного пространства характерны местные сопротивления вида: «вход в трубу», «выход из трубы», «внезапное расширение», «внезапное сужение», «поворот потока». Исходя из этого i 2 0, 2 0, 2 1 1, 28 0, 21 3,6576 . Тогда гидравлическое сопротивление: hпот 2 2 L 22 0,316 L D nd i i 2 0,25 2 2 2g d 2 g Re D nd э 2 0,3264897842 5 1 402 0.025 0.316 3.6576 2,857008542 м 27406,112990.25 12 402 0.0252 2 9.8 12 ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ. Необходимый процесс охлаждения провести в заданном нам аппарате невозможно, так как площадь поверхности теплообмена у заданного аппарата много меньше необходимой ( F n dL 402 3.14 0.025 5 157,785 м ). 2 Чтобы проводить заданный процесс необходимо либо изменить конструкцию аппарата (увеличить количество ходов, «оребрить» трубки), что несомненно приведет к большим денежным затратам и сложностью обслуживания самого аппарата, либо последовательно выстроить 4 таких аппарата, что в существенной мере сократит расходы на обслуживание, но монтаж такой системы и ее «большие площади» приведут к росту постоянных затрат. БИБЛИОГРАФИЯ 1. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии: Учебное пособие для вузов. – 12-е изд., стереотипное. Перепеч. с изд. 1987 г. – М.: ООО ТИД «Альянс», 2005. – 575 с. 2. Измайлов В.Д., Филлипов В.В. Справочное пособие для расчетов по процессам и аппаратам химической технологии. Самара, СамГТУ, 2006, 43 с. 3. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии: Учебник для вузов. – 11-е изд., стереотипное доработанное. Перепеч. с изд. 1973 г. – М.: ООО ТИД «Альянс», 2005 – 753 с. 13