Процесс теплопередачи: общие положения, основное уравнение, принципы передачи тепла и излучения. Типы теплообменников: трубчатые, змеевиковые, пластинчатые, оребренные, спиральные, блочные и шнековые, принципы и порядок, а также обоснование их выбора.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Размещено на

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

Расчет и проектирование теплообменного аппарата



Задание на проектирование

Рассчитать теплообменный аппарат на основе следующих данных:

1. Нагреваемая среда

а) состав - раствор 23% хлорида кальция;

б) начальная температура - -19 ^оС;

в) конечная температура - -16 ^оС;

г) рабочее давление 3 атм

2. Охлаждаемая среда

а) состав - диэтиловый эфир;

б) начальная температура - 31 ^оС;

в) конечная температура - -11 ^оС;

г) рабочее давление 3 атм

д) производительность - 2,5 кг/с



Введение

теплообменник змеевиковый излучение пластинчатый

В химической промышленности широко распространены тепловые процессы - нагревание и охлаждение жидкостей и газов и конденсация паров, которые проводятся в теплообменных аппаратах. Теплообменные аппараты или просто теплообменники используются практически во всех отраслях промышленности. Их основная задача обеспечить температурный режим технологических процессов.

При проектировании теплообменников тепловые расчеты проводят совместно с гидравлическими и конструктивными и на основе этих расчетов подбирают наиболее подходящие стандартные или нормализованные конструкции.

При тепловом расчете теплообменника при известных расходах, начальной и конечной температурах теплоносителей определяют:

- тепловую нагрузку и расход теплоносителя;

- среднюю разность температур и средние температуры теплоносителей;

- коэффициент теплопередачи;

- поверхность теплообмена.

Конструктивный расчет сводится к определению к определению числа труб аппарата.

В курсовом проекте будет произведен расчет теплообменников двух типов: кожухотрубчатого и «труба в трубе». Из двух аппаратов будет выбран оптимальный вариант, обеспечивающий выполнение требований проведения процесса с учетом конструктивных, эксплуатационных, экономических, энергетических параметров.

На основе теоретических расчетов будет выполнен чертеж общего вида выбранного теплообменника со спецификацией.



1. Теоретическая часть

1.1 Процесс теплопередачи

Общие положения

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 нагретого к менее нагретому телу. Теплообмен между телами представляет собой обмен энергией между молекулами, атомами и свободными электронами; в результате теплообмена интенсивность движения частиц более нагретого тела снижается, а менее нагретого - возрастает.

Тела, участвующие в теплообмене, называются теплоносителями.

Теплопередача - наука о процессах распространения тепла. Законы теплопередачи лежат в основе тепловых процессов - нагревания, охлаждения, конденсации паров, выпаривания - и имеют большое значение для проведения многих массообменных (процессы перегонки, сушки и др.), а также химических процессов, протекающих с подводом иле отводом тепла.

Различают три принципиально различных элементарных способа распространения тепла: теплопроводность, конвекцию и тепловое излучение.

Теплопроводностьпредставляет 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 решетке твердых тел), или диффузией свободных электронов (в металлах). В твердых телах теплопроводность является обычно основным видом распространения тепла.

Конвекцией называется перенос тепла вследствие движения и перемешивания макроскопических объемов газа или жидкости.

Перенос тепла возможен в условиях естественной, или свободной, конвекции, обусловленной разностью плотностей в различных точках объема жидкости (газа), возникающей вследствие разности температур в этих точках или в условиях вынужденной конвекции при принудительном движении всего объема жидкости, например в случае перемешивания ее мешалкой.

Тепловое излучение - это процесс распространения электромагнитных колебаний с различной длиной волн, обусловленный тепловым движением атомов или молекул излучающего тела. Все тела способны излучать энергию, которая поглощается другими телами и снова превращается в тепло. Таким образом, осуществляется лучистый теплообмен; он складывается из процессов лучеиспускания и лучепоглощения.

В реальных условиях тепло передается не каким-либо одним из указанных выше способов, а комбинированным путем. Например, при теплообмене между твердой стенкой и газовой средой тепло передается одновременно конвекцией, теплопроводностью и излучением. Перенос тепла от стенки к газообразной (жидкой) среде или в обратном направлении называется теплоотдачей.

Еще более сложным является процесс передачи тепла от более нагретой к менее нагретой жидкости (газу) через разделяющую их поверхность или твердую стенку. Этот процесс носит название теплопередачи.

В процессе теплопередачи переносу тепла конвекцией сопутствуют теплопроводность и теплообмен излучением. Однако для конкретных условий преобладающим обычно является один из видов распространения тепла.

В непрерывно действующих аппаратах температуры в различных точках не изменяются во времени и протекающие процессы теплообмена являются установившимися(стационарными). В периодически действующих аппаратах, где температуры меняются во времени (при нагревании или охлаждении), осуществляются неустановившиеся, или нестационарные, процессы теплообмена.

Тепловой поток (тепловая нагрузка аппарата, т.е. количества тепла, которое должно быть передано за 1 сек или за 1 ч от одного теплоносителя к другому). вычисляется путем составления и решения тепловых балансов.

Тепло, отдаваемое более нагретым теплоносителем , затрачивается на нагрев более холодного теплоносителя , и некоторая относительно небольшая часть тепла расходуется на компенсацию потерь тепла аппаратом в окружающую среду. Величина в теплообменных аппаратах, покрытых тепловой изоляцией, не превышает 3 - 5% полезно используемого тепла. Поэтому в расчетах ею можно пренебречь. Тогда тепловой баланс выразится равенством

== (1)

Пусть массовый расход более нагретого теплоносителя составляет, его энтальпия на входе в аппарат и на выходе из аппарата. Соответственно расход более холодного теплоносителя, его начальная энтальпия и конечная энтальпия. Тогда уравнение теплового баланса

=(-)=(-) (2)

Если теплообмен протекает без изменения агрегатного состояния теплоносителей, то энтальпии последних равны произведению теплоемкости на температуру.



= с_1нt_1н = с_1кt_1к

= с_2нt_2н = с_2кt_2к

Величины с_1н и с_1кпредставляют собой средние удельные теплоемкости более нагретого теплоносителя в пределах изменения температур от 0 доt_1н (на входе в аппарат) и до t_1к (на выходе из аппарата) соответственно. Величины с_2ни с_2к - аналогично для более холодного теплоносителя.

Если теплообмен протекает при изменении агрегатного состояния теплоносителя (конденсация пара, испарение жидкости и др.) или в процессе теплообмена протекают химические реакции, сопровождаемые тепловыми эффектами, то в тепловом балансе должно быть учтено тепло, выделяющееся при физическом или химическом превращении.

Если теплоемкости обменивающихся теплом жидкостей (с₁и с₂) можно считать не зависящими от температуры, то уравнение теплового баланса (2) принимает вид

= с₁ (t_1н - t_1к)=с₂(t_2к - t_2н) (3)

Основное уравнение теплопередачи

Общая кинетическая зависимость для процессов теплопередачи, выражающая связь между тепловым потоком ' и поверхностью теплообмена F, представляет собой основное уравнение теплопередачи:

'= КFДt_срф (4)

где К - коэффициент теплопередачи, определяющий среднюю скорость передачи тепла вдоль всей поверхности теплообмена; Дt_ср - средняя разность температур между теплоносителями, определяющая среднюю движущую силу процесса теплопередачи, или температурный напор;ф - время.

Согласно уравнению (4), количество тепла, передаваемое от более нагретого к более холодному теплоносителю, пропорционально поверхности теплообмена F, среднему температурному напору Дt_ср и времени ф.

Таким образом, коэффицие...