Расчет теплоообменника бензол-вода

Удельная теплоемкость и энтальпия. "Внутренний" и "внешний" метод составления теплового баланса. Передача тепла теплопроводностью и конвекцией. Расчет теплообменника труба в трубе: сумма термических сопротивлений стенки, коэффициент трения, скорость газа.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет»

Кафедра «Процессы и аппараты химической технологии»

Курсовой проект.

Расчет и проектирование теплообменника.

Пояснительная записка

240302 065000 0000 ПЗ

Екатеринбург

2012



Аннотация

В данном пояснительной записке рассматривается методика выбора теплообменника на основании данных для курсового проектирования. В ходе расчета рассматриваются несколько вариантов теплообменников и на основании сравнения их выбирается лучший вариант. Правильный выбор теплообменника в процессах теплопередачи позволяет получить требуемую производительность, требуемое качество процесса при минимальной стоимости аппарата и минимальной занимаемой им площади.



Задание по курсовому проектированию

Рассчитать и спроектировать ТЕПЛООБМЕННИК (холодильник, конденсатор) по следующим данным:

Тип аппарата выбрать.

Производительность аппарата:

А. По нагреваемой среде:

а) состав вода;

б) начальная температура 10 С;

в) конечная температура 35 С;

г) давление 1,0 ат.

Б. По охлаждаемой среде:

а) состав бензол,

б) начальная температура tкип;

в) конечная температура 80,4 С;

г) давление 1 атм;

Дополнительные данные:

а) расход по охлаждаемой среде 10 т/час.



Тепловые балансы

При расчете тепловых балансов необходимо знать удельные величины теплоемкости, энтальпии (теплосодержание), теплоты фазовых или химических превращений.

Удельная теплоемкость - это количество тепла, необходимого для нагревания (или охлаждения) 1 кг вещества на 1 градус (дж/кг град). Теплоемкость характеризует способность тела аккумулировать тепло. Так как теплоемкость зависит от температуры, то различают истинную теплоемкость при данной температуре с и среднюю теплоемкость в некотором интервале температур

(1.1)

где Q - количество тепла, сообщаемого единице количества вещества при изменении температуры от . В практике тепловых расчетов, как правило, приходится пользоваться средними теплоемкостями.

Удельная энтальпия i (если все расчеты вести от 0 С) определяется количеством тепла, которое необходимо для нагревания 1 кг вещества от 0 С до данной температуры, энтальпия i измеряется в Дж/кг, в технической системе ккал/кг.

(1.2)

Удельная теплота фазовых или химических превращений r - это количество тепла, которое выделяется (или поглощается) при изменении агрегатного состояния или химическом превращении единицы массы вещества. Она измеряется Дж/кг, а в технической системе ккал/кг.

«Внутренний» метод составления теплового баланса (с использование величин теплоемкостей). В непрерывно действующем теплообменнике осуществляется теплообмен между двумя текучими средами, разделенными теплопередающей перегородкой.

Рис. 1

Если в процессе теплообменная не происходит добавочного выделения или поглощения теплоты в результате фазовых или химических превращений и нет тепловых потерь в окружающую среду, то количество тепла, переходящего от первой среды ко второй в единицу времени - тепловой поток, или тепловая нагрузка, - равно:

(1.3)

Если процесс теплообмена происходит, в первой среде, фазовые или химические превращения (испарения жидкости, конденсация пара, плавление, химические реакции, и т.п.), то уравнение теплового баланса имеет следующий вид:

(1.4)

«Внешний» метод составления теплового баланса (с использованием величин удельных энтальпий). Тепловой баланс составляется исходя из того, что количество тепла Q1, поступающего в аппарат за 1 час с входящими средами, равно количеству тепла, уходящего со средами из аппарата за то же время,

(1.5)

где - энтальпии веществ, соответственно входящих в аппарат и выходящих из него.

В отличие от внутреннего метода составления теплового баланса, где рассматривается перераспределение тепла между теплообменивающимися средами в самом аппарате, в данном методе тепловой баланс составляется как бы по внешним показателям: до аппарата и после аппарат.

Из уравнения (1.5) можно определить количество тепла Q, переданного от одной среды к другой, как разность энтальпий

(1.6)

При наличии фазовых или химических превращений в теплообменнике количество тепла, переданного от одной среды к другой,

(1.7)

где - энтальпия продуктов превращения при температуре выхода из аппарата .

Кинетика теплопередачи. Различают три вида (механизма) теплопередачи: теплопроводность, конвекция и излучение.

Передача тепла теплопроводностью. Под теплопроводностью понимают переход тепловой энергии в среде без массовых ее движений относительно направления теплоперехода. Здесь тепло передается как энергия упругих колебаний атомов и молекул около их среднего положения. Эта энергия переходит к соседним атомам и молекулам в направлении ее уменьшения, т.е. уменьшения температуры.

Закон Фурье. Передача тепла теплопроводностью описывается законом Фурье, согласно которому количество тепла , проходящее за время через поверхность dF, нормальную к направлению теплоперехода, равно:

(1.8)

где - коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом теплоппроводности или теплопроводностью; - градиент температуры, т.е. изменение температуры на единицу длины в направлении теплопередачи.

Коэффициент теплопроводности. Он определяет скорость передачи тепла, т.е. количество тепла, проходящего в единицу времени через единицу поверхности тела при длине его в направлении теплопередачи, равной единице и разности температур 1 град. Наибольшее значение имеют металлы - от нескольких десятков до нескольких сотен вт/(м град). Значительно меньшие коэффициенты теплопроводности имеют твердые тела - не металлы. Теплопроводность жидкостей меньше теплопроводности большинства твердых тел. Для них колеблется в пределах десятых долей вт/(м град). Коэффициенты теплопроводности еще меньше.

Передача тепла теплопроводностью через стенку. Количество передаваемого тепла за 1 час через плоскую стену можно подсчитать по уравнению Фурье как количество тепла, проходящего через плоскость бесконечно малой толщины dx внутри стенки:



(1.9)

Проинтегрировав изменение температуры по всей толщине стенки получим

(1.10)

Из интегрального выражения видно, что температура t внутри плоской стенки падает по толщине стенки в направлении теплоперехода по закону прямой линии.

Рис. 2

Передача тепла конвекцией. Конвекционная теплопередача - это перенос тепла объемами среды путем взаимного их перемещения в направлении теплопередачи.

Переход тепла от среды к стенке или от стенки к среде называется теплоотдачей. Количество передаваемого тепла определяется законом Ньютона:

(1.11)

где - коэффициент теплоотдачи .

Коэффициент теплоотдачи при турбулентном движении среды. Среда, имеющая турбулентный характер движения и температуру t1 в основном ядре потока, протекая вдоль стенки с температурой передает ей свое тепло (Рис. 2). У стенки всегда существует тонкий пограничный слой, где имеет место ламинарное течение. В этом ламинарном слое сосредоточено основное сопротивление передачи тепла. Согласно закону Фурье:

(1.12)

Сравнивая уравнения (1.11) и (1.12), видим, что

(1.13)

Величину называют толщиной приведенного слоя. Величина зависит от следующих основных факторов:

физических свойств текучей среды: теплопроводности, теплоемкости, вязкости, плотности

гидравлических условий омывания жидкостью или газом тепловоспринимающей (или теплоотдающей) поверхности: скорости и направления текучей среды относительно этой поверхности

пространственных условий, ограничивающих поток: диаметр, длина, форма и шероховатость поверхности.

Таким образом коэффициент теплоотдачи является функцией многих величин:

.

Функциональная связь между критериями подобия, характеризующими теплоотдачу при турбулентном движении потока в прямых, гладких и длинных трубах, выведена методом анализа размерностей.

(1.14)

или коротко

(1.15)

где А, а и е - некоторые численные величины.

Безразмерные комплексы имею наименования:

- критерий Нуссельта, включающий в себя искомую величину коэффициента теплоотдачи (Нуссельт впервые применил теорию подобия для решения вопросов теплообмена);

- критерий Рейнольдса, определяющий гидравлическую характеристику потока:

- критерий Прандтля, характеризующий физические свойства среды.

Определение А, а и е производится на основе эксперимен...