Реферат: Расчет конденсатора
ВВЕДЕНИЕ
В химическойпромышленности широко распространены тепловые процессы — нагревание иохлаждение жидкостей и газов и конденсация паров, которые проводятся втеплообменных аппаратах. Теплообменные аппараты или просто теплообменникииспользуются практически во всех отраслях промышленности. Их основная задачаобеспечить температурный режим технологических процессов.
В настоящее время всетеплообменные аппараты, используемые в химической промышленности, подразделяютсяна определённые группы по следующим признакам: по назначению (нагреватели,испарители и кипятильники; холодильники, конденсаторы и т. д.), по режимуработы, по особенностям конструкции и т. д. Холодильники и конденсаторы служатдля охлаждения потока или конденсации паров с применением специальныххладоагентов (вода, воздух, пропан, хлористый метил, фреоны и т. д.).
Поверхностныетеплообменные аппараты можно разделить на следующие типы по конструктивнымпризнакам:
а) кожухотрубчатыетеплообменники (жёсткого типа; с линзовым компенсатором на корпусе; с плавающейголовкой; с U-образными трубками);
б) теплообменники типа“труба в трубе”;
в) подогреватели спаровым пространством (рибойлеры);
г)конденсаторы воздушногоохлаждения.
Кожухотрубчатыетеплообменники в настоящее время наиболее широко распространены, по некоторымданным они составляют до 80% от всей теплообменной аппаратуры. Основной частьютакого теплообменника является пучок труб, закреплённых в трубных решётках.Трубки располагаются в трубном пучке в шахматном порядке или по вершинам треугольников.Одна из теплообменивающихся сред движется по трубкам, а другая – внутри корпусамежду трубками.
Достоинствомкожухотрубчатого теплообменника является возможность получения значительнойповерхности теплообмена при сравнительно небольших габаритах и хорошоосвоенная; недостатком – более высокий расход материала по сравнению снекоторыми современными типами теплообменных аппаратов (спиральными,пластинчатыми теплообменниками и т. д.). Теплообменники могут бытьвертикального горизонтального исполнения. Оба варианта установки одинаковошироко распространены и выбираются в основном по соображениям монтажа:вертикальные занимают меньшую площадь в цехе, горизонтальные могут бытьразмещены в сравнительно невысоком помещении. Материал изготовления теплообменников– углеродистая или нержавеющая сталь.
По оценкам экспертов наизготовление трубчатых теплообменников расходуется около трети всего металла,потребляемого машиностроением. Поэтому разработка методов интенсификациитеплообмена способствующих снижению массы теплообменников, экономии материалов,является актуальной проблемой, которой занимаются специалисты многих стран.Одним из наиболее простых и эффективных путей интенсификации теплообменаявляется изменение формы и режима движения теплоносителя.
Разделяемая смесь(бензол-толуол) обладает токсичными, коррозийными свойствами. Выберем дляизготовления аппарата марку стали: обычныеМ.Ст.2, М… Ст.3..
1.РАСЧЁТНАЯ ЧАСТЬ
1.1ТЕПЛОВОЙ РАСЧЁТ
Цель: нахождениеповерхности теплообмена. По рассчитанной поверхности производится подборнормализированного варианта теплообменника по каталогам. Величину необходимойповерхности теплообмена определяем на основе уравнения теплопередачи [1]:
Q= KFΔtср. (1)
где Q — тепловая нагрузка аппарата Вт,
K– коэффициент теплопередачи Вт/м²К,
F– поверхность теплообмена м²,
∆tср. – средняя движущая сила процессатеплопередачи К,
В соответствии сприведённым уравнением поверхность теплообмена можно определить следующимобразом:
<img src="/cache/referats/19080/image002.gif" v:shapes="_x0000_i1025"> ( 2 )
1.1.1. ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС
Цель: определение тепловой нагрузки аппаратаи нахождение неизвестного расхода теплоносителя.
Для нахождения тепловой нагрузкиаппарата составим уравнение теплового баланса процесса. Процесс идёт сизменением агрегатного состояния горячего теплоносителя, поэтому уравнениетеплового баланса имеет вид:
ŋGгr= Gх ( Iхк– Iхн) (3)
где ŋ – величина тепловыхпотерь равная 5%,
G– расход горячего теплоносителя, кг/с,
r– удельная теплота фазового перехода,Дж/кг,
G– расход холодного теплоносителя,кг/с,
I– энтальпия вещества потока, Дж/кг,
Энтальпии веществ найдёмпо уравнению:
I= Cpt (4 )
где Ср – теплоёмкостьтеплоносителя
при определяющейтемпературе, Дж/кг град,
t– температура теплоносителя, град.
Для нахождениятемпературы, при которой ведётся конденсация воспользуемся tx(y) диаграммой. В основе построениялежат законы Дальтона, Рауля и Рауля – Дальтона. Это рабочая диаграммазависимости температуры кипения жидкости от состава и температуры конденсации пара в зависимости от его состава.Состав бинарной смеси всегда определяется по низкокипящему компоненту.
tнк = 86°(бензол) [ 1 ]
tвк = 117° (толуол) [ 1 ]
Таблица № 1
T°
P°нк
P°вк
П
Xнк
Y*нк
86
912
365
912
1
1
88
963
387
912
0,91
0,96
90
1016
408
912
0,82
0,91
92
1081
440
912
0,73
0,86
94
1147
472
912
0,65
0,81
96
1212
504
912
0,57
0,75
98
1278
536
912
0,50
0,70
100
1344
571
912
0,44
0,64
102
1424
607
912
0,37
0,57
104
1504
643
912
0,31
0,51
106
1584
679
912
0,25
0,43
108
1644
715
912
0,21
0,37
110
1748
751
912
0,12
0,23
112
1846
795
912
0,11
0,22
114
1944
839
912
0,06
0,12
116
2042
883
912
0,02
0,04
117
2091
905
912
0,005
0,01
<img src="/cache/referats/19080/image004.gif" v:shapes="_x0000_s1500">
Рисунок № 1
<img src="/cache/referats/19080/image006.gif" v:shapes="_x0000_s1501">
Рисунок №2
Температура конденсацииравна 89°С
<img src="/cache/referats/19080/image007.gif" v:shapes="_x0000_s1232"><img src="/cache/referats/19080/image007.gif" v:shapes="_x0000_s1230">
tгн 89º tгк
<img src="/cache/referats/19080/image008.gif" v:shapes="_x0000_s1233">
<img src="/cache/referats/19080/image009.gif" v:shapes="_x0000_s1234"> tхк=45º
tхн=15º
<img src="/cache/referats/19080/image010.gif" v:shapes="_x0000_s1231">
Рисунок №3 Температурная диаграмма.
По формуле (4) найдём энтальпии при заданных температурах:
Ср15=4173,24 Дж/кг град.. [ 1 ]
Cp45=4183,715 Дж/кгград. [ 1 ]
I15вода = 4173,24· 15 = 62598,6 Дж/кг,
I45вода = 4183,715 ·45 = 188267,1 Дж/кг ,
Для нахождения удельной теплоты фазовогоперехода воспользуемся формулой:
Rсм = r1 x1 + r2 x2 (5)
x– массовая доля компонента в смеси кгком./кгсм. ,
Ма · х
х = ──────
Мсм
78 · 0,92
Х = ─────────= 0,78 кмоль ком./кмоль см.,
92
хбензол =0,78; хтолуола = 1 – 0,78 = 0,22
rбензола= 418203,9 Дж/кг, rтолуола=418455,3 Дж/кг [ 1 ]
rcm= 418203.9 * 0.92 + 418455.3 * 0.08= 418223.9 Дж/кг
Из формулы (3) найдём расход холодного теплоносителя:
0,95 · 418223,9 ·6500
Gx= ──────────────────= 5,7 кг/с
(188267,1 – 62598,6)· 3600
Зная расход холодного теплоносителя и энтальпии при заданныхтемпературах найдем тепловую нагрузку аппарата по правой части уравнения (3).
Q= Gх( Iхк — Iхн )
Q= 5,7(188267,1-62598,6)=716310,45 Вт
1.1.2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДВИЖУЩЕЙ СИЛЫПРОЦЕССА
В самом общем случае температуры теплоносителеймогут изменяться, а могут оставаться постоянными вдоль поверхности теплопередачи.Часто встречаются такие варианты, когда температура одного теплоносителя неизменяется, в то время как другого — изменяется (увеличивается илиуменьшается). В этих случаях для расчета процесса теплопередачи вводят понятиео средней движущей силе процесса теплопередачи.
На практике среднююдвижущую силу процесса теплопередачи рассчитывают следующим образом [1]:
∆tб — ∆tм
∆tср= ───────── (6)
ln (∆tб / ∆tм)
где ∆tб = tгн– tхн =89° – 15° =74°C
∆tм = tгн–tхк = 89° – 45° =44°C
74 — 44
∆tср= ─────────── = 58°C
ln (74 / 44)
1.1.3.ОПРЕДЕЛЕНИЕ СРЕДНИХ ТЕМПЕРАТУРТЕПЛОНОСИТЕЛЕЙ
Процесс конденсациинасыщенного водяного пара ведётся при постоянной температуре. Эта температура ибудет средней температурой горячего теплоносителя. Среднюю температурухолодного теплоносителя вычислим по формуле:
tхср = tгср — ∆tср = 89° — 58° =31°С
1.1.4. НАХОЖДЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТАТЕПЛОПЕРЕДАЧИ
Вначале на первом этапе принимаем ориентировочное значениекоэффициента теплопередачи Кор. и рассчитываем ориентировочное значениетеплопередающей поверхности Fор. По уравнению (2). После этого по ориентировочному значению теплопередающей поверхностиподбираем по табличным данным нормализированный вариант конструкции теплообменногоаппарата, а затем проводим уточнённый расчёт коэффициентов теплоотдачи итеплопередачи и требуемой поверхности ( Fрасч. ).
Примем Кор. =300 Вт/м²град. [ 2 ]
По уравнению (2 )рассчитаем ориентировочную поверхность теплообмена:
716310,45
Fор. = ────────= 41 м²
300 · 58
Рассчитав Fор. Подбираем по каталогам нормализированныеварианты теплообменных аппаратов.
Для каждого из аппаратоврассчитываем критерий Рейнольдса [1]:
Re= ω· dэ · ρ / μ (7)
где ω – линейнаяскорость потока м/с ,
Dэ – диаметр эквивалентный м ,
ρ– плотность вещества кг/м³ ,
μ – вязкость вещества Па/с
Скорость рассчитываем поформуле:
ω = М /ρ·S (8)
где М –массовый расход теплоносителя кг/с ,
ρ– плотность вещества кг/м³ ,
S – площадьсечения одного хода по трубам м² ,
Таблица 2 Параметры кожухотрубчатых теплообменников ихолодильников в соответствии с ГОСТ 15118-79, ГОСТ 15120-79 и ГОСТ 15122-79 [ 2 ]
№
№
Дк. мм
Дтруб, мм
Число ходов
Общее число труб, шт.
Поверхность теплообмена (м²) при длине труб, м (рассчитана по наружному диаметру труб)
Площадь самого узкого сечения потока в межтрубном пространстве м²
Площадь сечения одного хода по трубам, м²
ω
Re
2
4
11
400
20х2
1
181
46
0,017
0,036
0,05
953,89
22
400
20х2
2
166
42
0,017
0,017
0,106
2021,18
33
600
20х2
4
334
42
0,041
0,016
0,113
2149,11
44
600
20х2
6
316
40
0,037
0,009
0,2010
3819,38
55
600
25х2
1
257
40
0,040
0,089
0,0203
506,28
Выбираем теплообменник№4, так как у него значение Рейнольдсанаибольшее и равно 3819,38. Режим переходный 2300<Re<10000.
Метод и уравнение длярасчёта коэффициентов теплоотдачи определяются, главным образом, характеромтеплообмена, условиями гидродинамического взаимодействия теплоносителя споверхностью теплообмена и конструкцией теплообменного аппарата.
Теплоотдача при плёночнойконденсации насыщенного пара на наружной поверхности пучка вертикальных труб рассчитывается поуравнению [1]:
_________________
αг = 3,78 · λ · ³√ ρ² ·N· dн / μ ·Gг (9)
где α — коэффициенттеплоотдачи, Вт/м²К ,
λ – коэффициенттеплопроводности теплоносителя
при определяющей температуре, Вт/мК ,
μ – вязкостьтеплоносителя при определяющей температуре Па*с,
ρ – плотностьвещества, кг/м³ ,
λ, μ,ρ – для плёнки конденсата,
N– количество трубок вкожухотрубчатом теплообменнике,
dнар. – наружный диаметр трубок втеплообменнике, м,
Gг– расход горячего теплоносителя, кг/с,
λ см= λ2 ( х2 ) + λ1( 1-х2 ) – 0,72 ( λ2- λ 1) · х2 (1 – х2 ) (10)
λ89бензол=0,1283Вт/м ч град,
λ89толуол=0,1214 Вт/м ч град , [1]
λсм = 0,1283 · 0,78 + 0,1214 (1- 0,78) – 0,72 (0,1283 –0,1214) · 0,78 (1 – 0,78) = 0,1259215 Вт/ мК
ρ89б = 797,4кг/м³ ; ρ89т =792кг/м³ [ 1 ]
1 хб хт
──── = ───── + ───── (11)
ρсм ρб ρ
1 0,78 0,22
──── = ──── + ─────
ρсм 797,4 792
ρсм = 796.812 кг/м³
lgμсм = х1 lgμ1+ x2 lgμ2 (12)
х1 , x2–мольные доли компонента в смеси кмоль комп. / кмоль см ,
μ89бензола= 0,000294 Па с; μ89толуола =0,0002998 Па с [ 1 ]
lgμсм = 0.92 · lg0.000294 + 0.08 · lg0.0002998 = 0.275 · 10-3 Па*с
6500
Gг = ──── = 1,8 кг/с
3600
По формуле ( 9 ) найдёмкоэффициент теплоотдачи:
_________________________________
αкондверт = 3,78 · 0,1259 ·³√ (796)² · 316 · 0,020 /0,2750 ·10-3· 1,80
αкондверт = 954,54 Вт/м²
Для нахождения коэффициента теплоотдачи холодноготеплоносителя воспользуемся формулой:
Nu·λ
αх= ─────── (13)
dэ
где Nu– критерий Нуссельта,
λ – коэффициенттеплопроводности теплоносителя при определяющей температуре Вт/ мК ,
dэ — внутреннийдиаметр трубок в теплообменнике м,
Переходное течениежидкости в прямых трубах и каналах рассчитывается по формуле [1]:
Nu= 0.008 Re0.9· Pr0.43 (14)
Cp·μ
Pr= ────── (15)
λ
Cp31вода = 4183,5 Дж/кг град , [1]
μ31вода=0,840·10-3 Па*с, [1]
λ31вода = 0.61813 Вт/ мК, [1]
4183,5·0,840·10-3
Pr= ─────────────= 5.6851
0.61813
Nu= 0.008 (3819.38)0.9· (5.6851)0.43= 28.27
По формуле (13) найдёмкоэффициент теплоотдачи :
28,27 · 0,633
αх=───────── = 1118,43 Вт/м²К
0,0016
Коэффициент теплопередачирассчитывается с помощью уравнения аддитивности термических сопротивлений сучётом наличия загрязнений по обе стороне теплопередающей стенки [1]:
1 1 δст 1
───= ──── + ───+ rзг+ rзх+ ──── (16)
К αг λст αх
δст= 0,002 м [2]
λст = 17.5 Вт/мК [1]
rзг= 1900 Вт/м²К [2]
rзх = 5800 Вт/м²К [2]
1 1 0,002 1 1 1
─── = ─── + ───── + ───+ ─── + ─────= 0,00275341 Вт/м²град
К 954,54 17,5 5800 1900 1118,43
Красч. = 363Вт/м²град
По формуле (2) найдёмрасчётную поверхность:
716310,45
Fрасч.= ────────= 34 м²
363 · 58
Далее проводимсопоставление выбранного варианта нормализированного теплообменника с расчётнымпо величине коэффициента запаса В:
Fст.– Fрасч.
В = ────────· 100 % (17)
Fст
41 — 34
В = ──────· 100 %= 17 %
41
Допускается, как правило,превышение стандартной поверхности нормализованного теплообменника надрасчётной не более чем 20 %.
1.2. РАСЧЁТ ТЕПЛОВОЙ ИЗОЛЯЦИИ
Целью расчёта тепловойизоляции является определение необходимой толщины слоя теплоизоляционногоматериала, покрывающего наружную поверхность теплообменника с целью снижениятепловых потерь и обеспечения требований безопасности и охраны труда приобслуживании теплоиспользующих установок. Температура поверхности слоя изоляциине должна превышать 45°С.
Расчёт толщинытеплоизоляционного слоя материала проводят по упрощённой схеме, используяследующие уравнения [1]:
Qп= αн· F(tиз.– tокр.) (17)
λиз.
Qиз=. ──── · F( tст.– tиз.) (18)
δиз.
Так как Qп= Qиз , тоиз этого следует :
λиз. ( tст.– tиз.)
δиз.=───────── (19)
αн (tиз.– tокр.)
где α – коэффициент теплоотдачи вокружающую среду, Вт/м²К,
δиз.–толщина материала изоляции, мм,
λиз.– коэффициент теплопроводности материала изоляции, Вт/мК,
tст., tокр., tиз. – соответственно температуры наружной стенки аппарата,окружающей среды, наружной поверхности теплоизоляционного материала °С,
Коэффициент теплоотдачи,который определяет суммарную скорость переноса теплоты конвекций и тепловымизлучением для аппаратов, находящихся в закрытых помещениях, при температуре до150°С можно рассчитать по приближённому уравнению:
αн = 9,74 + 0,07∆t (20)</span