Міністерство освіти і науки України
Східноукраїнський національний університет ім. Володимира Даля
Сєвєродонецький хіміко-механічний технікум
Пояснювальна записка до курсового проекту
Проект розрахунку кожухотрубного теплообмінника безперервної дії
Керівник проекту
Корольова О.В.
Розробив студент
Шелестова І.О.
Зміст
Вступ
1. Технологічна частина
1.1 Теоретичні основи процесу
1.2 Фізичні основи процесу, опис технологічної схеми, устаткування
1.3 Техніко-економічне обґрунтування і опис переваг конструкції проектованого апарату
1.4 Техніка безпеки при обслуговуванні устаткування
2. Розрахункова частина
2.1 Матеріальний баланс
2.2 Конструктивний розрахунок
2.3 Розрахунок та вибір діаметрів штуцерів
2.4 Гідравлічний розрахунок
Список літератури
Вступ
Теплообмінні апарати призначені для проведення процесів теплообміну при необхідності нагрівання або охолоджування технологічного середовища з метою його обробки або утилізації теплоти.
Теплообмінна апаратура складає вельми значну частину технологічного устаткування в хімічній і суміжних галузях промисловості. Питома вага на підприємствах хімічної промисловості теплообмінного устаткування складає в середньому 15—18%, в нафтохімічній і нафтопереробній промисловостях 50 %. Значний об'єм теплообмінного устаткування на хімічних підприємствах пояснюється тим, що майже всі основні процеси хімічної технології (випаровування, ректифікація, сушка і ін.) пов'язані з необхідністю підведення або відведення теплоти.
В загальному випуску теплообмінних апаратів для хімічної і суміжних галузей промисловості в Україні близько 80 % займають кожухотрубні теплообмінники. Ці теплообмінники достатньо прості у виготовленні і надійні в експлуатації і в той же час достатньо універсальні, тобто можуть бути використаний для здійснення теплообміну між газами, парами, рідинами в будь-якому поєднанні теплоносіїв і в широкому діапазоні їх тиску і температур.
Розвиток наукових основ і техніки теплообміну пов'язаний з іменами багатьох вітчизняних і зарубіжних учених і інженерів.
Сучасний стан теорії і практики хімічної технології і промислової теплотехніки характеризується, з одного боку, вдосконаленням техніки і технології (інтенсифікація процесів, розробка оригінальних конструктивних і схемних рішень, зростання одиничних потужностей устаткування), а з другого боку — все більш широким використовуванням нової методології рішення наукових і практичних завдань. Ці тенденції характерні і для сучасного стану техніки теплообміну.
Мета курсової роботи по предмету «Процеси і апарати хімічних виробництв»:
- ознайомитися з теоретичними основами процесу теплообміну;
- ознайомитися з технологією теплообміну кожухотрубного теплообмінника;
- ознайомитися з технікою безпеки на хімічних виробництвах;
- провести розрахунок кожухотрубного теплообмінника і порівняти з аналогічними, які виробляє промисловість [1-4].
1. Технологічна частина
1.1 Теоретичні основи процесу
Теплообміном називається процес перенесення теплоти, що відбувається між тілами, що мають різну температуру. При цьому теплота, переходить мимовільно від більш нагрітого до менш нагрітого тіла. В результаті передачі теплоти відбуваються: нагрівання — охолоджування, паротворення — конденсация, плавлення — кристалізація. Теплообмін має важливе значення для проведення процесів випаровування, сушки, перегонки і ін..
Тіла, які беруть участь в теплообміні називаються теплоносіями.
Теплообмінні процеси можуть відбуватися тільки за наявності різниці температур між теплоносіями, тобто різниця температур — рушійна сила теплообміну.
Розрізняють стаціонарні і нестаціонарні теплообмінні процеси. В періодично діючих апаратах при нагріванні або охолоджуванні, де температури міняються в часі, здійснюються нестаціонарні процеси.
В непреривнодіючих апаратах, де температури в різних точках апарату не змінюються в часі, протікають стаціонарні процеси.
Теплота від одного тіла до іншого може передаватися теплопровідністю, конвекцією і тепловим випромінюванням.
Теплопровідність — це процес передачі теплоти усередині тіла від одних частинок до інших унаслідок їх руху і взаємного зіткнення. Передача тільки за допомогою теплопровідності може відбуватися лише в твердих тілах.
Конвекція — це процес розповсюдження теплоти в результаті руху і переміщення частинок рідин або газів. Перенесення теплоти можливе в умовах природної конвекції, при якій рух частинок викликаний різницею густини в різних точках об'єму, унаслідок різниці температур в цих крапках, і примусової конвекції при переміщенні всієї маси газу або рідини.
Перенесення теплоти від поверхні твердого тіла до газоподібного або рідкого середовища називається конвективною тепловіддачею або просто тепловіддачей.
Процес передачі теплоти від гарячої рідини (газу), до холодної через стінку називається теплопередачей.
При теплообміні теплота, що віддається більш нагрітим теплоносієм (Q1), затрачується на нагрів більш холодного теплоносія (Q2). Нехтуючи втратами теплоти, рівняння теплового балансу можна записати у вигляді:
Q = Q1 = Q2 (1.1)
де Q — теплове навантаження апарату, Вт.
Якщо теплообмін здійснюється при зміні агрегатного стану теплоносія (конденсація пари, випаровування рідини і ін.), то в тепловому балансі повинні бути враховані теплові ефекти, супроводжуючі процес.
Сукупність значень температур у всіх точках тіла називається його температурним полем. Температурні поля стаціонарні і нестаціонарні. Стаціонарним (сталим) називається таке поле, в якому температура в кожній крапці не міняється в часі, якщо ж температура міняється, то поле буде нестаціонарним (несталим).
Якщо температура в двох сусідніх точках тіла рівні, то отже, ці крапки лежать на одній поверхні однакових температур, тобто на ізотермічній поверхні, і теплота не може розповсюдяться уздовж всієї ізотермічної поверхні.
Для переходу теплоти від однієї крапки до сусідньої необхідна наявність між їх температурами деякої різниці, причому теплота розповсюджується у бік пониження температури.
Для характеристики ступеня інтенсивності зміни температури в різних точках температурного поля користуються величиною, яка називається температурним градієнтом.
Тепловим потоком називається кількість теплоти (в Дж), передана в одиницю часу (в с), і виражається в Дж/с, тобто у ватах (Вт).
В різних точках температурного поля тепловий потік може бути різним по величині і по напряму. В нестаціонарному температурному полі він міняється і в часі.
Величина теплового потоку залежить від температурних умов поля і від фізичних властивостей речовини.
Основним законом передачі теплоти теплопровідністю є закон Фурье. При дослідженні передачі теплоти в твердому тілі Фурье встановив, що кількість теплоти, що проходить через тіло, пропорційно падінню температури, часу і площі перетину, перпендикулярного напряму розповсюдження потоку теплоти.
Коефіцієнт теплопровідності показує кількість теплоти, що проходить унаслідок теплопровідності в одиницю часу через одиницю поверхні теплообміну при різниці температур між стінками на одиницю товщини стінки.
Конвективний теплообмін — це теплообмін між твердим тілом і рідиною (газом), що відбувається при їх зіткненні і одночасному перенесенні теплоти шляхом теплопровідності і конвекції. Такий випадок розповсюдження теплоти називається теплоотдачей. Конвективне перенесення теплоти пов'язано з рухом теплоносія. Рух середовища викликається різними причинами: вимушений рух виникає під дією якого-небудь збудника (насоса, вентилятора, мішалки), вільний рух — унаслідок різниці густини нагрітих і холодних частинок середовища, яке обумовлене наявністю різниці температур. В першому випадку це буде вимушена конвекція, в другому — природна конвекція.
У всіх випадках руху теплоносія біля твердої стінки утворюється тепловий прикордонний шар, термічний опір якого відрізняється від термічного опору теплоносія, що рухається.
Основним законом тепловіддачі є закон охолоджування Ньютона, згідно якому кількість теплоти Q, передана (або отримане) від теплообмінної поверхні до навколишнього середовища, прямо пропорційно поверхні теплообміну F, різниці температури поверхні tCt і температури навколишнього середовища t1 а також часу τ, протягом якого йде теплообмін.
Коефіцієнт тепловіддачі α визначає кількість теплоти (в Дж), яка передається від 1 м2 теплообмінної поверхні до рідини (або від рідини до 1м2 теплообмінної поверхні) протягом 1с при різниці температур між теплообмінною поверхнею і рідиною 1К.
Вимушена конвекція відбувається під дією якого-небудь зовнішнього джерела енергії.
При русі потоку теплоносія в теплообмінних апаратах спостерігається вплив поля температур на поле швидкостей.
Процес тепловіддачі при перебігу рідини в трубах є складнішим в порівнянні з процесом тепловіддачі при обмиванні поверхні необмеженим потоком. Рідина, що протікає оддалік поверхні, не випробовує впливу процесів, що відбуваються біля стінки. Перетин труб має кінцеві розміри. В результаті, починаючи з деякою відстанню від входу, рідина по всьому поперечному перетину труби випробовує дію сил в'язкості, відбувається зміна температур рідини як по перетину, так і по довжині каналу. Все це позначається на інтенсивності тепловіддачі.
Тепловіддача при подовжньому обмиванні пучка труб.
Типовим прикладом є пучок труб, змонтований в циліндровій сорочці без поперечних перегородок (кожухотрубний теплообмінник).
Швидкість протікання рідини визначається в даному випадку розміром прохідного перетину між трубами. Еквівалентний діаметр є діаметром перетину, обмеженого чотирма сусідніми трубами. Визначальна температура — це середня температура теплоносія.