Теплообменник типа "Труба в трубе"

Министерство  образования и науки РФ

ФГАОУ ВПО  «Уральский федеральный университет  имени первого   президента России Б. Н. Ельцина»

Кафедра «Процессы и аппараты химической технологии» 
 
 
 
 
 

Курсовой  проект на тему:

«РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА» 
 
 
 
 
 
 
 
 

Исполнитель             _________________          П. Ю. Лихачев

студент гр. Фт-48011                         подпись, дата                 

Руководитель                               _________________         Г.К. Лисовая

                                               подпись, дата 
 
 
 
 
 
 
 
 

г. Екатеринбург 2011 г.

Аннотация.

     В данной работе представлены  расчеты поверхности теплообмена и коэффициента теплопередачи теплообменника производительностью по бензолу – 2,4 т/час.

      Определены  конструктивные основные размеры аппарата: теплообменник типа "труба в  трубе" из внешней трубы – 89х4 мм, и внутренней трубы - 57х3,5 мм.

      Показано, что выбранный теплообменник  удовлетворяет технологическим  требованиям процесса теплопередачи. Выполнен гидравлический расчет. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                        Содержание 

Введение               4

1.Технологическая  схема            5

2. Расчет  теплообменного аппарата           6

      2.1 Расход теплоты            6

      2.2 Расчет объемных расходов компонентов         7

      2.3 Определение температуры воды  при начале        7

            охлаждения бензола t_x       

      2.4 Расчет ориентировочной поверхности теплообмена      7

      2.5 Выбор теплообменного аппарата         8

      2.6 Схемы процессов теплопередачи и расчет коэффициента     8

            теплопередачи в зоне конденсации  бензола

      2.7 Расчет коэффициента теплопередачи  в зоне охлаждения     11

      2.8 Расчёт поверхности теплообмена         13

3. Гидравлический  расчет            14

      3.1 Гидравлические сопротивления в трубном пространстве     14

      3.2 Гидравлические сопротивления в межтрубном пространстве  14

Вывод               16

Список  литературы             17                 

         
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Введение

     Теплообменные аппараты (теплообменники) применяются  для осуществления теплообмена между двумя теплоносителями с целью нагрева или охлаждения одного из них. В зависимости от этого теплообменные аппараты называют подогревателями или холодильниками.

     По  способу передачи тепла различают  следующие типы теплообменных аппаратов:

       - поверхностные, в которых оба теплоносителя разделены стенкой, 
причем тепло передается через поверхность стенки;

       - регенеративные, в которых процесс передачи тепла от горячего 
теплоносителя к холодному разделяется по времени на два периода и про 
исходит при попеременном нагревании и охлаждении насадки теплообменника;

       -смесительные, в которых теплообмен происходит при непосредственном соприкосновении теплоносителей.

     В химической промышленности наибольшее распространение получили поверхностные теплообменники, отличающиеся разнообразием конструкций, основную группу которых представляют трубчатые теплообменники, такие как: кожухотрубные, оросительные, погруженные и "труба в трубе".

     Теплообменник "труба в трубе" включают несколько  расположенных друг над другом элементов, причем каждый элемент состоит из двух труб: наружной трубы большего диаметра и концентрически расположенной  внутри нее трубы меньшего диаметра. Внутренне трубы элементов соединены друг с другом последовательно; так же связаны между собой наружные трубы. Для возможности очистки внутренне трубы соединяются при помощи съемных калачей.

     Благодаря небольшому поперечному сечению  в этих теплообменниках легко достигаются высокие скорости теплоносителей в как в трубах, так и в межтрубном пространстве. При значительных количествах теплоносителей теплообменник составляют из нескольких параллельных секций, присоединяемых к общим коллекторам.

     Преимущества  теплообменников "труба в трубе":

       - высокий коэффициент теплопередачи вследствие большой скорости 
обоих теплоносителей;

       - простота изготовления.

     Недостатки  этих теплообменников:

       - громоздкость;

       - высокая стоимость ввиду большого расхода металла на наружные 
              трубы, не участвующие в теплообмене;

       - трудность очистки межтрубного пространства.

     Теплообменники "труба в трубе" могут использоваться, как для нагревания, так и для охлаждения.

     Нагревание  обычно производится или горячей  водой или насыщенным водяным паром, который запускается в межтрубное пространство и конденсируется на поверхности внутренней трубы.

1. Технологическая схема.

     Двухтрубчатый теплообменник является одним из наиболее простых теплообменных  аппаратов. Его называют теплообменником  типа «труба в трубе». Он состоит  из двух труб разного диаметра: наружной 1 и внутренней 2, установленных одна в другой и образующих два канала для перехода сред.

Один  теплоноситель (вода) движется по внутренней трубе, другой (бензол) по кольцевому зазору между внутренней и наружной трубами. Внутренние трубы соединяются калачами 3, а наружные – патрубками 4.

      При необходимости получения большей  поверхности теплопередачи возможно последовательное, параллельное и комбинированное  соединение секции теплообменника с  помощью коллектора. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2.Расчет теплообменника.

2.1 Расход теплоты:

     80,2 → 30 (бензол)

   50 ← 10 (вода)

         На рисунке 2 приведена схема движения теплоносителей:

     Рисунок 2 – Схема движения теплоносителей:

1. зона конденсации бензола;  2- зона охлаждения бензола.

 

     Отсюда  ∆t_м=20; ∆t_б=30,2. 

  (средняя  температура воды)

 

(средняя температура  бензола)

- средняя разность  температур, равная  при противотоке теплоносителей 24,75 °С.

С учетом потерь холода в размере 5% расход теплоты:

     Q_1→2=k*G₁*C₁*(t₁^нач – t₁^кон) +G₁*r_конд ,

     где k- коэффициент потерь, k=1,05;

        G₁ - массовый расход бензола, G₁=2,4 т/ч=0,67 кг/с;

        C₁ – удельная теплоемкость бензола при t₁,

         C₁=0, 44 ккал/(кг*ºС)=1843,6 Дж/(кг*К);

         r_конд=394 кДж/кг; (скрытая теплота конденсации бензола);

Q_1→2=1,05*0,67*1843,6*(80,2-30)+0,67*394000=329,088 кВт=3,290*10⁵ Вт;

     Q_1→2= Q_2→1; Q_2→1=G₂*C₂*(t₂^нач – t₂^кон);

     где  C₂-удельная теплоемкость воды при t_2, C₂=4190 Дж/(кг*К);

     G₂=329088/(4190*(50-10))=1,96 кг/с;

      2.2 Расчет объемных  расходов компонентов:  

      V₁= G₁/ρ₁= 0, 67 кг/с / 841,5 кг/м³=0,00080 м³/с,

      V₂= G₂/ρ₂= 1,960 кг/с / 995,0 кг/м³=0,00197 м³/с,

      где  ρ₁, ρ₂ – соответствующие плотности.

2.3 Определение температуры воды при начале охлаждения бензола t_x: 

     а) в зоне конденсации: Q_конд=Q₁;

     Q_конд =  1,960*4190*(50 – t_х) = 263980 Вт;

      => t_х   = 17,9 °С;

     б) в зоне охлаждения конденсата:  Q_охл=Q₂;

      65108 = 1,96*4190*( t_х – 10);

      => t_х   = 17,9 °С.  

      Таким образом, температура воды в начале охлаждения конденсата бензола  17,9⁰С.

     2.4 Расчет ориентировочной  поверхности теплообмена

        

      1. Зона конденсации.

Температурная схема:        80,2→80,2

                                           17,9   ←10

                                    Δt_м=62,3    Δt_б=70,2   

          Средняя температура процесса 

        Значение ориентировочного коэффициента  теплопередачи при конденсации  паров органических веществ к  воде,

К_ор=300…800=550 Вт/(м²*К) [1, табл. 4.8]Тогда ориентировочное значение поверхности теплопередачи:

      .

     2. Зона охлаждения.

Температурная схема:        80,2→30

                                           50←17,9

                                  Δt_б=30,2   Δt_м=12,1   

      Средняя температура процесса

      Значение  коэффициента теплопередачи от органической жидкости к воде К_ор=120…270 = 195 Вт/м²*⁰С [1, табл. 4.8]Тогда ориентировочное значение поверхности теплопередачи:

      .

Таким образом, общая поверхность теплопередачи  составляет:

      

      2.5 Выбор теплообменного  аппарата

      Теплообменник “труба в трубе”. Рассмотрим аппарат, изготовленный из труб 89*4 мм (наружная труба) и 57*3,5 мм (внутренняя труба). Определим скорость и критерий Рейнольдса для воды:

 м/с;

.

Для бензола:

м/с;

, где эквивалентный диаметр       

d_э =D-d=0,081-0,057=0,024 м., µ₁= 0,413 мПа*с [1, табл IX, с 516]. 

     2.6 Схемы процессов теплопередачи и расчет коэффициента теплопередачи в зоне конденсации бензола 

      Составим  схему процесса теплопередачи. По табл. 4.1 находим, что теплоотдача для  обоих потоков описывается уравнением(4.17):

                  Nu =0,021*ε_l*Re^0,8 *Pr^0,43*(Pr/Pr_ст)^0,25.