Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство по образованию РФ

Государственное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

«Томский политехнический университет»

Химико-технологический факультет

Кафедра ТООС

Группа З5Э31

КОЖУХОТРУБЧАТЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК ДЛЯ НАГРЕВАНИЯ СМЕСИ

АЦЕТОН – ВОДА ДО ТЕМПЕРАТУРЫ КИПЕНИЯ

(вариант № 4)

Пояснительная записка к курсовому проекту по дисциплине

«Гидравлика и теплотехника»

Руководитель проекта

доцент Гусева Ж.А.

Исполнитель проекта

студент Кудрявцева Ю.А.

Томск 2007

Федеральное агентство по образованию РФ

Государственное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

«Томский политехнический университет»

Задание №4

на расчетную индивидуальную работу по дисциплине

“Гидравлика и теплотехника”

Выдано студенту: Кудрявцевой Ю.А.

1.Тема: Расчет теплообменника кожухотрубчатого

2. Срок сдачи законченной работы

3. Исходные данные к заданию:

Мольная доля р-ра по нк - 40%;

Расход - 22 т/ч;

Начальная температура раствора – 22С;

Давление в трубном пространстве – 1,6 ата;

Раствор – ацетон+вода;

Давление греющего водяного пара подобрать самостоятельно.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЁТ

1.1 ТЕМПЕРАТУРНЫЙ РАСЧЁТ

1.2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕЙ ПРИ СРЕДНИХ ТЕМПЕРАТУРАХ

1.3 ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС

1.4 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОРИЕНТИРОВОЧНОЙ ТЕПЛОПЕРЕДАЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ И ПОДБОР НОРМАЛИЗОВАННОЙ КОНСТРУКЦИИ ПО СТАНДАРТАМ

1.5 УТОЧНЁННЫЙ РАСЧЁТ ТЕПЛОПЕРЕДАЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ

1.6 РАСЧЁТ ТЕПЛОВОЙ ИЗОЛЯЦИИ

2. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЁТ

3. КОНСТРУКТИВНО-МЕХАНИЧЕСКИЙ РАСЧЁТ

3.1 РАСЧЁТ ТОЛЩИНЫ ОБЕЧАЙКИ

3.2 РАСЧЁТ И ПОДБОР ШТУЦЕРОВ

3.3 РАСЧЁТ ТОЛЩИНЫ ТРУБНОЙ РЕШЁТКИ

3.4 РАСЧЁТ ОПОР АППАРАТА

3.5 РАСЧЁТ И ПОДБОР ДНИЩА И КРЫШКИ АППАРАТА

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ВВЕДЕНИЕ

Теплопередача – это наука о процессах распространения теплоты. Различают три различных способа переноса теплоты: теплопроводность, конвекцию и тепловое излучение. В реальных установках теплота передаётся комбинированным путём, однако вклад этих трёх составляющих в общий перенос теплоты неодинаков и определяется многими условиями: природой теплоносителя, агрегатным состоянием, температурным и гидродинамическим условиям и т.д.

В промышленности теплообмен между рабочими телами (теплоносителями) происходит в специально сконструированных аппаратах, которые называются теплообменниками. Они должны отвечать определённым общим требованиям: обладать высокой тепловой производительностью и экономичностью, обеспечивать заданные технологические условия процесса, быть просты по конструкции, компактны, обладать современным техническим и эстетическим дизайном, иметь длительный срок службы, соответствовать требованиям СНИП и ведомственным правилам Госгортехнадзора. Особые требования предъявляются к обеспечению надёжности работы аппаратов, возможности автоматического регулирования режимно-технологических параметров и аварийного отклонения.

В химической технологии теплообменные аппараты довольно широко распространены, применяются в различных производствах легкой и тяжелой промышленности. Для обеспечения того или иного технологического процесса применяются различные типы теплообменных аппаратов. Основную группу теплообменных аппаратов, применяемых в промышленности, составляют поверхностные теплообменники, в которых теплота от горячего теплоносителя передается холодному теплоносителю через разделяющую их стенку. Другую группу составляют теплообменники смешения, в которых теплота передается при непосредственном соприкосновении горячего и холодного теплоносителей.

Теплообменные аппараты классифицируются:

1. По назначению:

   1. холодильники;

   2. подогреватели;

   3. испарители;

   4. конденсаторы.

2. По конструкции:

- изготовленные из труб:

1. теплообменники «труба в трубе»;

2. оросительные теплообменники;

3. погружные змеевиковые;

4. теплообменники воздушного охлаждения;

5. из оребренных труб;

6. кожухотрубчатые теплообменники.

- с неподвижной трубной решеткой;

- с линзовым компенсатором;

- с плавающей головкой;

- с U-образными трубами.

1. По направлению движения теплоносителя:

   1. прямоточные;

   2. противоточные;

   3. с перекрестным движением.

Кожухотрубчатые теплообменные аппараты используются для практической реализации таких процессов, как нагревание (охлаждение), конденсация и испарение. Соответственно аппараты называются теплообменниками, холодильниками, конденсаторами и испарителями.

Теплообменники предназначены для проведения процесса теплообмена между теплоносителями, которые не изменяют своего агрегатного состояния в процессе теплообмена: это газо-жидкостные и жидкостно-жидкостные аппараты для проведения процессов охлаждения и нагревания.

Холодильники предназначены для охлаждения водой или другими нетоксичными, не пожаро- и не взрывоопасными хладагентами жидких и газообразных сред. Работают, как правило, в области минусовых температур.

В соответствии с ГОСТ 15120-79, ГОСТ 15118-79 и ГОСТ 15122-79 кожухотрубчатые теплообменники и холодильники изготавливают двух типов: «Н» - с неподвижными трубными решётками и «К» - с компенсатором температурных напряжений на кожухе.

Необходимость использования компенсатора определяется предельно-допустимой разностью температур стенок труб и кожуха, равной 50ºС или сравнительно большой длиной теплообменных труб (более 6м).

Конденсаторы предназначены для конденсации насыщенных паров. Обычно конденсацию осуществляют на наружной поверхности пучка труб в межтрубном пространстве. В химической промышленности для нагревания жидкостей и газов за счёт теплоты конденсации насыщенных паров чаще всего используется насыщенный водяной пар.

Испарители предназначены для проведения процессов испарения жидкости при кипении. При этом жидкость кипит в трубах, а в межтрубное пространство подаётся греющий агент. В соответствии со стандартом, кожухотрубчатые испарители в этом случае могут быть только одноходовыми и вертикального исполнения [4].

Из нашего технического задания (см. выше) следует, что нам надо подобрать кожухотрубчатый теплообменник (подогреватель) для нагревания насыщенным водяным паром смеси этанол-вода до температуры кипения.

Исходя из условий, которые приведены в техническом задании целесообразно назначить теплообменник типа ТНВ (теплообменник с неподвижными трубными решётками, вертикальный) ГОСТ 15122-79.

Т.к. эти теплообменники используются при температуре жидких и газообразных сред от -70 до +350⁰С от 0,6 до 16 МПа поверхность теплообмена от 1 до 5000 м² [1].

Достоинства этого теплообменного аппарата:

а) простота конструкции;

б) непрерывная передача тепла от одного теплоносителя к другому;

в) интенсивный теплообмен.

Недостатки:

а) металлоемкость;

б) температурные деформации;

в) невозможность разборки и чистки трубного пространства.

В итоге для данного процесса необходимо подобрать теплообменник типа ТНВ по ГОСТ 15122-79 и провести для него тепловой, гидравлический и конструктивно-механический расчёты.

1. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЁТ

1.1 ТЕМПЕРАТУРНЫЙ РАСЧЁТ

В нашем случае температура горячего теплоносителя (греющего водяного пара) не изменяется, а температура холодного теплоносителя (смеси ацетон-вода) увеличивается вдоль поверхности теплопередачи. Зная это, построим температурную диаграмму чистого противотока для нагрева смеси ацетон-вода водяным паром (рис. 1).

Рисунок 1.1 – Температурная диаграмма.

Из рис. 1 видим, что .

На рис.1.1 - температура горячего, начальная и конечная температуры холодного теплоносителей соответственно.

Т.к. (см. задание на курсовой проект), то нам необходимо найти и .

1. Для нахождения конечной температуры холодного теплоносителя построим диаграмму состояния смеси ацетон-вода в координатах (рис. 1.2). Для этого составим таблицу расчёта (табл. 1.1), основываясь на законах [1]:

Рауля

, (1.1)

, (1.2)

и Дальтона

, (1.3)

где - общее давление смеси; , - парциальные давления низко- и высококипящего компонентов соответственно; и - давления насыщенных паров чистых низко- и высококипящего компонентов; - мольная доля низкокипящего компонента.

При построении графика учитываем, что ацетон – низкокипящий компонент, а вода – высококипящий.

Таблица 1.1 - Расчёт для построения графика t-x [1]

t, °С	Pа, мм рт. ст.	Pв, мм рт. ст.	П	(из формул 1.1, 1.2 и 1.3)
70	1200	200	1200	1,00
74	1300	250		0,90
78	1500	290		0,75
82	1650	370		0,65
86	1850	440		0,54
90	2000	500		0,47
94	2200	600		0,38
98	2500	680		0,29
102	2650	720		0,25
106	3200	900		0,13
110	3600	1000		0,08
114	4000	1200		0,00

Мольная доля низкокипящего компонента в смеси ацетон-вода – (см. задание на проект).

По рис. 1.2 определяем, что при .

1. Зададимся давлением греющего пара МПа. Тогда по [1, табл. LVII] .

2. Далее по рис.1.1 находим , и по формулам (1.5), (1.6) и (1.7) соответственно [2]:

, (1.5)

, (1.6)

. (1.7)

1. Определим средние температуры теплоносителей – и .

Т. к. , то [2]: