Курсовая работа (т): Кожухотрубні теплообмінники

Кожухотрубні теплообмінники

Вступ

Процеси теплообміну відіграють важливу роль в сучасній техніці. Вони застосовуються в сюди, де виникає необхідність нагрівання і охолодження. Теплообмін - процес передачі тепла, який проходить між тілами, що мають різну температуру. При цьому тепло переходить самовільно від більш нагрітого до менш нагрітого теплоносія. Теплоносій, який віддає тепло називається гарячим, а той, що приймає тепло, називається холодним.

Рушійна сила теплообміну - різниця температур між теплоносіями. Розрізняють три механізми переносу тепла: 1) Теплопровідність - це передача тепла від одних частинок до інших при їх безпосередньому дотику. 2)Конвекція - процес передачі тепла в результаті руху і переміщення частинок рідин або газів. Конвекція поділяється на природну і вимушену. 3)Випромінювання - передача тепла у вигляді електромагнітних хвиль.

У всіх теплообмінних пристроях хімічної промисловості є процес теплообміну між теплоносіями. Вибір теплоносіїв залежить від потрібної температури і необхідності її регулювання. Кожний теплоносій характеризується перш за все визначеним температурним діапазоном, його застосуванням. Крім того промисловий теплоносій повинен забезпечувати інтенсивність теплообміну при зменшенні особистих витрат для того він повинен мати відповідну масу, в'язкість, високу густину і питому теплоту пароутворення. Теплоносій не повинен негативно впливати на матеріал апарату.

Ізопропанол ( ізопропіловий спирт; 2-пропанол) (СН3)2СНОН.

Молекулярна маса 60,09; безбарвна рідина, темп. плавлення -89,5оС, темп. кипіння 82,4оС; тиск пари (кПа): 1,33 (2,4оС), 13,3 (39,5оС), η = 2,43мПа∙с (20оС); змішується з водою і органічними розчинниками у всіх співвідношеннях; утворює з водою азеотропну суміш (темп. кип. 80,2оС; 87,7% ізопропілового спирту).

Ізопропіловий спирт володіє усіма властивостями вторинних одноатомних спиртів жирного ряду (утворює прості і складні ефіри, і т.д.). В промисловості ізопропанол одержують гідратацією пропілену. Сірчанокислу гідратацію здійснють зазвичай 70-75%-ю H2SO4 при 70-80oC і тиску 1,0-2,8МПа. Сировиною може служити пропан-пропіленова фракція з вмістом пропілену 30-90% (фракція піролізу і крекінгу нафти); однак спостерігається тенденція до використання чистого пропілену. Ізопропанол одержують також окисненням парафінів повітря і ін. способами.

Застосовують ізопропанол для виробництва ацетону, ефірів і ін. органічних продуктів, як розчинник в лакофарбовій, парфюмернокосметичній і фармацевтичній промисловості, як екстрагент масел, природних смол, натуральних латексів, антифриз. Темп. самозагорання 456оС, нижній КПВ 2,5%. Здійснює шкідливий вплив на центральну нервову систему, токсичний за етанол приблизно в 2 рази.

Вода

Вода найбільш поширена речовина на Землі. Поверхня земної кулі на 80% покрита водою (океани, моря, озера, льодовики). У великих кількостях вода також знаходиться в атмосфері і земній корі. Таким чином, наша планета буквально просочена водою й окутана водяною парою. Вода бере участь у складному кругообігу тепла, вологості і речовин на Землі. Кожний живий організм включає до свого складу воду.

Чиста вода прозора, без запаху і смаку. Найбільшу густину вона має при 4оС (1г/см3). Вода замерзає при 0оС, а кипить при 100оС і тиску 1атм. Добре проводить тепло і електричний струм, добрий розчинник. Вода дуже реакційно здатна речовина. При звичайних умовах вона взаємодіє з багатьма основами і кислотними оксидами, а також з лужноземельними металами. Вода утворює численні сполуки - гідрати (кристалогідрати). Важка вода - це вода, що містить важкий воденьі велику кількість металів. Всі хімічні реакції з важкою водою відбуваються значно повільніше, ніж із звичайною водою.

В теплообмінних апаратах можуть проходити різні теплові процеси: нагрівання, охолодження, випаровування, конденсація, кипіння, складні комбіновані процеси. Теплообмінні апарати застосовуються практично у всіх областях промисловості і залежно від призначення називаються: підігрівачами, конденсаторами, регенераторами, пароутворювачами, кип'ятильниками.

Теплообмінні апарати діляться по способу передачі тепла на:

1. поверхневі, в яких передача тепла відбувається через стінку.

. регенеративні, в яких передача тепла здійснюється від гарячого теплоносія до холодного і розділюється по часу на два періоди при перемінному нагріванні і охолодженні насадки теплообмінника.

. змішувальні, в яких теплообмін проходить при безпосередньому контакті теплоносіїв.

Поверхневі теплообмінні апарати ділять на:

. З трубчатою поверхнею теплообміну. кожухотрубні, занурені змієвикові, „труба в трубі”, зрошувальні.

2. З плоскою поверхнею теплообміну - пластинчаті, спіральні, з оребреною поверхнею теплообміну.

. Блочні.

. Шнекові.

1. Тепловий розрахунок

.1 Рушійна сила теплообміну

Інтенсивність теплопередачі між теплоносіями залежить від фізичних властивостей і параметрів теплообмінних середовищ, а також від гідравлічних умов руху теплоносіїв. Для початку необхідно визначити середню температуру кожного середовища та за цією температурою за допомогою довідника фізичні параметри кожного середовища.

Приймаємо припустимі значення температур води (охолоджувального теплоносія) tп = 90 0С, tк = 80 0С

                    вода

                                              80

              ізопропанол

                                           25

________                      _________

Δtм = 25 оС                   Δtб = 55 оС

ередня температура становить

тоді

середня температура води

середня температура ізопропанолу

оС.

.2 Фізичні параметри теплоносіїв

Вода при 85 оС Ізопропанол при 47 оС

Густина ρ = 968,5 кг/м3 ρ = 762,4 кг/м3

В’язкість μ =0,339 ×10-3 Па*с μ = 1,12×10-3 Па*с

Теплоємність с = 4198,4 Дж/(кг*К) с = 3062,89 Дж/(кг*К)

Теплопровідність λ = 0,675 Вт/(м*К) λ = 0,146 Вт/(м*К)для ізопропанолу:

для води:

.3 Теплове навантаження

Тепловий розрахунок починається з визначення теплового навантаження апарату та витрат гріючого чи охолоджуючого теплоносіїв. Теплове навантаження визначається з врахуванням 4% втрат

= Gгар* Сгар*(tк - tп) *η

де Gгар - масові витрати ізопропанолу, кг/с

η - поправка на теплові втрати.

Витрата води при обраних температурах входу і виходу теплоносіїв, визначається з рівняння теплового балансу

Об’ємні витрати води та ізопропанолу:

Обираємо орієнтовний коефіцієнт теплопередачі

Кор. = 800 Bm/м2∙К

Розраховуємо орієнтовну поверхню теплообміну

.4 Визначення параметрів теплообмінника

Згідно ГОСТ 15122-69 і ГОСТ 15118-79 обираємо теплообмінник із заданою кількістю труб.

Таблиця 1

.5 Розраховуємо швидкість руху теплоносіїв

У трубний простір пускаємо воду, щоб мати можливість очищення трубного простору від „водяного каменя”

Швидкість ізопропанолу у міжтрубному просторі визначається для найменшого перерізу міжтрубного простору (у вирізі перегородки).

.6 Коефіцієнти тепловіддачі та теплопередачі

.6.1 Трубний простір (вода)

Режим плину визначається за значенням критерія Рейнольдса, визначальним лінійним розміром є внутрішній діаметр теплообмінних труб dв= 0,016 м. Критерій Рейнольдса характеризує гідродинамічний режим руху теплоносія.

Тобто рух - турбулентний.

Де ω - лінійна швидкість потоку у трубі, м/св - внутрішній діаметр труб, м

ρ - густина теплоносія, кг/м3

При розвинутому турбулентному русі для визначення критерія Нусельта застосовують відповідне критеріальне рівняння. Критерій Нусельта характеризує процес теплообміну між теплоносієм і стінкою.

де Pr - критерій Прандтля.

Для води, як теплоносія, що охолоджується прийнято

Коефіцієнт тепловіддачі води

Звідки

.6.2 Міжтрубний простір (ізопропанол)

Режим плину визначається за значенням критерія Рейнольдса, визначальним лінійним розміром є зовнішній діаметр теплообмінних труб dз= 0,020 м.

Тобто рух - турбулентний.

Для визначення критерія Нусельта застосовуємо критеріальне рівняння, яке застосовується для рідини, яка омиває міжтрубний простір кожухотрубного теплообмінника при наявності сегментних перегородок.

Для ізопропанолу, як теплоносія, який нагрівається прийнято

Коефіцієнт тепловіддачі ізопропанолу

.7 Визначення коефіцієнта теплопередачі

де δст = 0,002 м - товщина теплообмінної труби,

λст = 46,5 Вm/(м*К) - коефіцієнт теплопровідності сталі, [2, табл. 28]забр= 0,00018 м2*К/Вm - термічний опір забруднення для водопровідної води.

α1 - коефіцієнт тепловіддачі від стінки до холодного теплоносія,

α2 - коефіцієнт тепловіддачі від гарячого теплоносія

1.8. Розрахунок питомого теплового потоку

де t1 - середня температура гарячого середовища,- середня температура холодного середовища,’w - температура стінки зі сторони гарячого середовища,’’w - температура стінки зі сторони холодного середовища.

.9 Уточнення коефіцієнта теплопередачі

.9.1. Визначення коефіцієнта тепловіддачі води

де с - питома теплоємність при температурі стінки зі сторони гарячого середовища (с = 4190 Дж/кг*К) [1, с.808]

μ - в’язкість при температурі стінки зі сторони гарячого середовища (μ =  0,357*10-3 Па*с) [1, с.806]

λ - теплопровідність при температурі стінки зі сторони гарячого середовища  (λ = 0,673 Bm/м*К) [1, с.810]

.9.2 Визначення коефіцієнта тепловіддачі ізопропанолу

де с - питома теплоємність при температурі стінки зі сторони холодного          середовища (с = 3414,85 Дж/кг*К) [1, с.808]

μ - в’язкість при температурі стінки зі сторони холодного середовища (μ =          0,646*10-3 Па*с) [1, с.806]

λ - теплопровідність при температурі стінки зі сторони холодного середовища (λ = 0,142 Bm/м*К) [1, с.810]

.10. Поверхня теплопередачі

Кількість теплообмінників з поверхнею теплообміну 46,0 м2 для забезпечення необхідної поверхні:

Вибираємо 1 теплообмінник з поверхнею теплообміну 46,0 м2 і довжиною труб 4,0 м [8] Загальна поверхня теплообміну складає: 1∙ 46,0 = 46,0 м2 Запас поверхні теплообміну становить:

Додаткові розміри теплообмінника. Довжина труб 4,0 м;

Кількість теплообмінників 1 шт.

По ГОСТ 15122-69 вибираємо розміри теплообмінника Таблиця 2