Перенос энергии в форме тепла, происходящий между телами, имеющими различную температуру, называется теплообменом. Движущей силой любого процесса теплообмена является разность температур более нагретого и менее нагретого тел, при наличии которой тепло самопроизвольно, в соответствии со вторым законом термодинамики, переходит от более нагретому к менее нагретому телу.
Тела, участвующие в теплообмене, называются теплоносителями.
Различают три принципиально различных элементарных способа распространения тепла: теплопроводность, конвекцию и тепловое излучение.
Теплопроводность представляет собой перенос тепла вследствие беспорядочного (теплового) движения микрочастиц, непосредственно соприкасающихся друг с другом. Это движение может быть либо движением самих молекул (газы, капельные жидкости), либо колебанием атомов (в кристаллической решётке твёрдых тел), или диффузией свободных электронов (в металлах).
Конвекцией называется перенос тепла вследствие движения и перемешивания макроскопических объёмов газа или жидкости. Перенос
тепла возможен в условиях естественной, или свободной, конвекции, обусловленной разностью плотностей в различных точках объёма жидкости (газа), возникающей вследствие разности температур в этих точках или в условиях вынужденной конвекции при принудительном движении всего объёма жидкости, например в случае перемешивания её мешалкой.
Тепловое излучение- это процесс распространения электромагнитных колебаний с различной длиной волн, обусловленный тепловым движением атомов или молекул излучающего тела.
В реальных условиях тепло передаётся не каким-либо одним из указанных выше способов, а комбинированным путём. Например, при теплообмене между твёрдой стенкой и газовой средой тепло передаётся одновременно конвекцией, теплопроводностью и излучением (процесс теплоотдачи).
Ещё более сложным является процесс передачи тепла от более нагретого к менее нагретой жидкости (газу) через разделяющую их поверхность или твёрдую стенку. Этот процесс носит название теплопередачи.
Передачу тепла между теплоносителями осуществляют в аппаратах называемых теплообменниками.
Теплообменная аппаратура составляет весьма значительную часть технологического оборудования в химической и смежных отраслях промышленности.
Теплообменные аппараты можно классифицировать по следующим признакам:
по конструкции — аппараты, изготовленные из труб (кожухотрубчатые, оросительные, змеевиковые и др.); аппараты, поверхность теплообмена которых изготовлена из листового материала (пластинчатые, спиральные, сотовые); аппараты с поверхностью теплообмена, изготовленной из неметаллических материалов (графита, пластмасс, стекла и др.);
Теплоотдача при кипении жидкостей
... переноса теплоты при кипении 10. Лучистый теплообмен. Сложный теплообмен. Это уравнение при коэф.охвата=1. Если излающая поверхность полностью окружает поглощаемую , При переносе тепла через газовую среду лучеиспускания относят интенсивность этого переноса при ... Их относят к группе аппаратов, работающих без циркуляции; процесс выпаривания осуществляется за один проход жидкости но кипятильным трубам, ...
по назначению — холодильники, подогреватели, испарители, конденсаторы; по направлению движения теплоносителей — прямоточные, противоточные, перекрёстного тока и др.
Интенсификация процесса теплообмена является важным вопросом в проектировании аппарата, так как это ведёт к уменьшению требуемой поверхности теплообмена и соответственно к уменьшению его стоимости. Одним из способов интенсификации процесса теплообмена является повышения турбулизации потока, за счёт увеличения его скорости, но при этом возрастают энергетические затраты на перекачиваемую через аппарат жидкость. В связи с этим при расчёте теплообменников всегда есть нисколько вариантов аппаратов из которых выбирается оптимальный.
1. Технологический расчет
1. Температурные условия процесса нагревания.
1) Строим график изменения температур теплоносителя вдоль поверхности труб.
Смесь вода — этиловый спирт
Производительность теплообменника:
Начальная температура: С
Конечная температура: 76,3 С
Давление греющего пара
Температура конденсации 142 С
С
С
2) Средняя разность температур
Если , тогда .
Если , тогда
С.
3) Температура нагреваемой жидкости:
С
4) Физические константы нагреваемой жидкости:
Плотность выписываем из табл. IV на стр. 495
С
Коэффициент теплопроводности выписываем из табл. X на стр. 543
Коэффициент теплоемкости выписываем из табл. XI на стр. 543
Динамический коэффициент вязкости выписываем из табл. IX на стр. 499
С
5) Критерий Прандтля
6) Объемный расход
2. Расчет тепловой нагрузки теплообменника.
1) Расход теплоты на нагрев раствора
2) Расход греющего пара:
где -удельная теплота парообразования
Значения Выписываем из таблицы LVI на стр. 532
> С >
3. Выбор диаметра труб и их числа в теплообменнике.
Принимаем диаметр труб >, также обусловимся, что
течение в трубах турбулентное, т.е. критерий Рейнольдса
4. Ориентировочная поверхность теплообменника.
1) Задаемся коэффициентом теплопередачи из ряда
2) Ориентировочная площадь поверхности теплообмена:
2) По таблице на странице предварительно выбираем теплообменник по ГОСТу с характеристиками:
внутренним диаметром кожуха
длинной труб
поверхность теплообмена
труба на 1 ход.
5. Расчет коэффициентов теплопередачи
Учитывая соотношение между толщиной стенки трубы и ее диаметра расчет коэффициента теплопередачи проводим как для плоской стенки:
Буровые промывочные жидкости
... коэффициента, характеризующего проницаемость зоны в процессе бурения. Проницаемые зоны, представленные неустойчивыми, тонкотрещиноватыми или пористыми породами, изолируются частицами твёрдой фазы промывочной жидкости в процессе бурения скважин. Потеря промывочного ... бурильные трубы, нагревающиеся вследствие трения о стенки скважины. Буровые растворы обладают относительно высокой теплоемкостью, ...
1. Задаемся температурой наружной стенки трубы:
Температура плоской стенки
2. Движущая сила процесса теплопередачи:
С
3. Коэффициент теплообмена для вертикальной стенки
,, — физические свойства воды на линии насыщения
коэффициент теплопроводности
С
Плотность выписываем из табл. IV на стр. 495
С
Динамический коэффициент вязкости выписываем из табл. на стр. 520
С
Движущая сила процесса теплообмена
где: число ходов в теплообменнике
длина труб в теплообменнике
4. Удельная тепловая нагрузка со стороны греющего пара:
5. Термическое сопротивление процессу теплоотдачи:
коэффициент теплопроводности стали
6. Температура внутренней поверхности стенки трубы:
С
7. Движущая сила процесса теплообмена со стороны нагреваемой стенки:
С
8. Скорость движения нагреваемой жидкости по трубам:
9.Уточняем режим движения жидкости:
режим турбулентный
10. Находим критерий Нуссельта при турбулентном течении при температуре
С
где: при
коэффициент теплопроводности выписываем из таблицы Х на странице 543
коэффициент теплоемкости выписываем из таблицы ХI на странице 544
Динамический коэффициент вязкости
11. Коэффициент теплоотдачи для нагреваемой жидкости:
12.Удельная тепловая нагрузка со стороны нагреваемой жидкости
Возвращаемся к пункту 5
1*. Задаемся температурой наружной стенки трубы:
Температура плоской стенки
2*. Движущая сила процесса теплообмена:
С
3*. Коэффициент теплообмена для вертикальной стенки
коэффициент теплопроводности
С
С
Точное значение находим интерполяцией:
Плотность выписываем из табл. IV на стр. 495
С
С
Точное значение находим интерполяцией:
Динамический коэффициент вязкости выписываем из табл. на стр. 520
С
С
Точное значение находим интерполяцией:
где: число ходов в теплообменнике
4*. Удельная тепловая нагрузка со стороны греющего пара:
5*. Термическое сопротивление процессу теплоотдачи:
коэффициент теплопроводности стали
6*. Температура внутренней поверхности стенки трубы:
С
7*. Движущая сила процесса теплообмена со стороны нагреваемой стенки:
С
8*. Скорость движения нагреваемой жидкости по трубам:
9*.Уточняем режим движения жидкости:
режим турбулентный
10*. Находим критерий Нуссельта при турбулентном течении
где: при
коэффициент теплопроводности выписываем из таблицы Х на странице 543
коэффициент теплоемкости выписываем из таблицы ХI на странице 544
Динамический коэффициент вязкости
11*. Коэффициент теплоотдачи для нагреваемой жидкости:
12*.Удельная тепловая нагрузка со стороны нагреваемой жидкости
6.Строим нагрузочную характеристическую диаграмму теплообменника.
С >
- С >
1.)Требуемая поверхность теплообмена:
2.Рассчитываем запас поверхности
3.) Окончательно выбираем теплообменник по ГОСТу с характеристиками:
внутренним диаметром кожуха
длиной труб
поверхность теплообмена
одноходовой теплообменник
2. Гидравлический расчет
Определяем скорость жидкости в трубах
Коэффициент трения
е — относительная шероховатость труб
- высота выступов шероховатости
В трубном пространстве следующие местные сопротивления: вход в камеру и выход из неё, 3 поворота на 180, 4 входа и выхода из них.
Число ряда труб получим , число сегментных перегородок х = 12, диаметр штуцеров 50 мм
где S = 0,04 м скорость жидкости в узком сечении.
Сопротивление межтрубного пространства
2.
Расчет трубной решетки.
Одним из основных элементов кожухотрубчатых теплообменных аппаратов и греющих камер выпарных аппаратов являются трубные решетки. Они представляют собой перегородки, в которых закрепляются трубы и которыми трубное пространство отделяется от межтрубного. При конструировании, теплообменного аппарата одновременно с проведением теплотехнического расчета необходимо выбрать способ размещения и крепления труб в трубной решетке, конструкцию трубной решетки и рассчитать ее толщину. Наиболее рационально по плотности упаковки труб размещение их по вершинам равносторонних треугольников.
Размещение по вершинам квадратов удобнее при необходимости чистки межтрубного пространства. Шаг между трубами зависит от диаметра труб и способов их крепления. Крепление труб в трубных решетках осуществляется сваркой, пайкой или развальцовкой. Минимальный шаг между трубами рекомендуется принимать в соответствии со следующими данными:
- >
- Выбираем тип крепления труб — развальцовкой.
При развальцовке должно выполняться условие
где:
, условие выполняется.
Толщины трубной решетки зависит от ее конструкции и от конструктивной схемы аппарата. Наиболее распространенная конструкция — с неподвижными трубными решетками
Выбираем III тип трубной решетки.
Высота трубной решетки при изготовлении заодно с фланцем принимается равной высоте фланца, т. е. h=52 мм [6, с. 544];
При развальцовке должно выполняться условие:
условие прочности выполняется
Число рядов труб, в диагонали шестиугольника:
Число труб в диагонали шестиугольника:
Расчет диаметра штуцеров.
Диаметр штуцера для входа-выхода нагреваемой жидкости:
- здесь скорость потока приняли по [1,с.16];
, принимаем 50 мм,
Диаметр штуцера для выхода входа-выхода греющего пара:
здесь скорость приняли для насыщенных паров по [1,с.16],
плотность пара,
принимаем d 1 y = 100 мм,
По данным расчета выписываем размеры штуцеров
|
Размеры, мм |
число отверстий Z |
S T |
H T |
H |
|||||||
|
D ф |
D б |
D 1 |
h |
d |
|||||||
|
0.3 |
50 |
58 |
63 |
54 |
14 |
12 |
8 |
6 |
120 |
120 |
|
|
0.3 |
100 |
110 |
131 |
312 |
16 |
12 |
12 |
8 |
120 |
140 |
|
ГОСТ 12815-80
3.Механический расчет
Расчет элементов корпуса
Корпуса аппаратов чаще всего работают в условиях статистических нагрузок под внутренним избыточным давлением, вакуумом или наружным избыточным давлением.
Цилиндрические обечайки
Расчет на прочность и устойчивость проводится по ГОСТ 14249-89
Расчет обечаек, нагруженных внутренним избыточным давлением
Толщину стенок определяют по формулам:
где: давление в аппарате,
внутренний диметр,
расчетное значение толщины стенки, мм
допускаемое напряжение, МПа
Перерабатываемая среда: уксусная кислота
табл. 3.1
Прибавка на коррозию определяется по формуле
где: Срок службы аппарата
Для материалов, стойких к перерабатываемой среде или при отсутствии данных о проницаемости рекомендуют принимать
Мы следуем этой рекомендации и принимаем в расчете на то, что аппарат может прослужить дольше проектного срока.
допускаемое напряжение находим по табл. [1, с. 394], .
сталь Вст3 имеет
Аппарат выполнен автоматической сваркой с коэффициент прочности сварного шва
Расчет днищ и крышек
Эллиптическая крышка рассчитываются по формуле.
где: давление в аппарате,
внутренний диметр аппарата,
расчетное значение толщины стенки, мм
допускаемое напряжение, МПа
При конструировании аппаратов выполняют проверочный расчёт болтов в соответствии с ОСТ 26-373-82
1 .Определяют нагрузку, действующую на фланцевое соединение от внутреннего давления
где
2 . Рассчитывают реакцию прокладки
где: Давление в аппарате
для прокладок из паранита
эффективная ширина прокладок
при ширине прокладки
при ширине прокладки
3.Определяют болтовую нагрузку при сборке. Это значение выбирают наибольшим из трёх
где: для прокладок из паранита
где: число болтов
площадь поперечного сечения болта
и допускаемое напряжение для материала болта
при 20 0 С и рабочей температуре берется из табл.
Для Стали 3
где: нагрузка на фланцевое соединение от внутреннего давления
реакция прокладки
4. Проверяют прочность болтов при монтаже но условию
где:
Условие прочности при монтаже выполняется
5. Проверяют прочность болтов в период эксплуатации
Условие прочности в период эксплуатации выполняется
Выбор опоры.
Для вертикальных аппаратов используют опоры- стойки [4, с. 673], которые выбираются по допускаемой нагрузке.
Определим вес аппарата:
определяем ориентировочно.
масса пустого аппарата [1, с. 56]; .
- масса жидкости в трубном пространстве;
- Задаются количеством опор. Их должно быть не менее двух, т.е
где количество опор.
По табл. выбираем стандартные опоры по условиюПо этому условию подходят опоры с нагрузкой
Список литературы
[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/kursovaya/po-pahtu-teploobmennik/
Пособие по проектированию «Основные ПАХТ» под ред. Ю.И.Дытнерского, 2-е издание, переработанное и дополненное;
— М.: Химия,1991. — 496 с.
К.Ф.Павлов, П.Г.Романков, А.А.Носков «Примеры и задачи по курсу ПАХТ» Учебное пособие для ВУЗов / Под ред. чл. — корр. АН СССР П.Г. Романкова. — 9-е издание, перераб. и доп. — Л.: Химия, 1981. — 560 с.
Н.Б. Варгафтик «Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей». М.:Физматгиз, 1963 . — 708 с.
А.А.Лащинский, А.Р.Толчинский «Основы расчета и конструирования химической аппаратуры» М.: Физматгиз,1970 .- 725с.
