POLITECHNIKA POZNAŃSKA

WYDZIAŁ TECHNOLOGII CHEMICZNEJ

Zakład Inżynierii i Aparatury Chemicznej

PROJEKT:

Wymiennik ciepła

Agnieszka Łatko

rok akademicki 2002/2003

studia zaoczne

Dokumentacja techniczna wymiennika ciepła.

1.Strona tytułowa

2. Spis treści

3. Wykaz oznaczeń z jednostkami

4. Charakterystyka techniczna aparatu

5. Strony obliczeniowe

6.Spis literatury

7.Rysunek ofertowy

SPIS TREŚCI

Strona

Wykaz oznaczeń wraz z jednostkami 4

Charakterystyka techniczna aparatu 5

Parametry opisujące właściwości czynnika. 7

Woda 7

Toluen 8

Obliczenia 9

Bilans cieplny 9

Obliczenie masowego natężenia przepływu wody. 9

Moduł napędowy procesu. 9

Współczynnik wnikania ciepła (dla toluenu). 9

Obliczenie liczby Reynoldsa. 9

Obliczenie liczby Prandtla. 9

Obliczenie liczby Nusselta. 9

Obliczenie współczynnika wnikania ciepła. 9

Obliczenie ilości rurek 9

Obliczenie objętościowego natężenia przepływu. 9

Obliczenie ilości rurek. 10

Obliczenia dla przestrzeni międzyrurowej. 10

Obliczenie średnicy wewnętrznej aparatu. 10

Obliczenie pola powierzchni przekroju. 10

Obliczenie obwodu ograniczającego powierzchnię. 10

Obliczenie średnicy zastępczej. 10

Obliczenie współczynnika wnikania ciepła (dla wody). 10

Obliczenie pola powierzchni. 10

Obliczenie liniowej prędkości przepływu. 10

Obliczenie liczby Reynoldsa. 10

Obliczenie liczby Prandtla. 11

Obliczenie liczby Nusselta. 11

Obliczenie współczynnika wnikania ciepła. 11

Obliczenie współczynnika przenikania ciepła. 11

Obliczenie powierzchni wymiany ciepła. 11

Obliczenie strumienia cieplnego. 11

Obliczenie powierzchni wymiany ciepła 11

Obliczenie długości rurek. 11

Obliczenie powierzchni jednostkowej pęku rurek. 11

Obliczenie długość rurek. 11

Sprawdzenie warunku smukłości. 11

Dobór dennic. 12

Dobór króćców wlotowych i wylotowych. 12

Dobór kołnierza pod płaszcz. 12

Dobór łap podporowych 12

Obliczenie wysokości aparatu. 12

Literatura 13

Spis norm 13

Wykaz oznaczeń wraz z jednostkami.

Indeksy:

A - toluen

B - woda

1 - wlot

2 - wylot

Symbol	Oznaczenie	Jednostka
de	średnica zastępcza	[m]
dw	średnica wewnętrzna rurki	[m]
dz	średnica zewnętrzna rurki	[m]
f	pole powierzchni	[m^2]
hD	wysokość dennicy	[m]
hkr	wysokość króćca	[m]
hkoł	wysokość kołnierza	[m]
i	liczba rurek	[-]
Δt	różnica temperatur wlot - wylot	[K]
Δtm	moduł napędowy procesu	[K]
w	liniowa prędkość przepływu	[m/s]
α	współczynnik wnikania ciepła	[-]
η	dynamiczny współczynnik lepkości	[Pa*s]
λ	współczynnik przewodzenia ciepła	[W/m*K]
ρ	gęstość	[kg/m^3]
Cp	ciepło właściwe	[J/kg*K]
Dw	średnica wewnętrzna aparatu	[m]
Dz	średnica zewnętrzna aparatu	[m]
Dz^'	średnica zewnętrzna kołnierza	[m]
F	pole powierzchni przekroju aparatu	[m^2]
F'	powierzchnia wymiany ciepła	[m^2]
Fj	pole powierzchni jednostk. pęku rurek	[m]
G	masowe natężenie przepływu	[kg/h]
H	wysokość wymiennika	[m]
K	współczynnik przenikania ciepła	[-]
L	długość rurek	[m]
Nu	liczba nusselta	[-]
O	obwód aparatu	[m]
Pr	liczba Prandtla	[-]
Q	strumień cieplny	[J/h]
Re	liczba Reynoldsa	[-]
T	temperatura	[K]
ΔT	różnica temperatur na przekroju	[K]
V	objętościowe natężenie przepływu	[m^3/h]

Charakterystyka techniczna aparatu

Zastosowanie.

Zaprojektowano aparat służący do chłodzenia toluenu, temperatura przy wlocie aparatu wynosi T=70^oC natomiast żądana temperatura opuszczającej cieczy wynosi T=30^oC. Natężenie przepływu wynosi 20m³/h i temperatura wody chłodzącej przy wlocie aparatu wynosi T=10^oC a na wylocie T=20^oC.

Zastosowano wymiennik płaszczowo - rurowy z jednodrogową wiązką rurek stalowych.

Schemat ideowy aparatu

Rozwiązanie konstrukcyjne.

Zastosowano przeciwprądowy wymiennik płaszczowo - rurowy ze stałymi dnami sitowymi. Do budowy zastosowano rurki Φ 38 mm x 3,8 mm rurki rozmieszczono w układzie heksagonalnym o podziałce t = 48 mm.

Opis działania.

Ciepło toluenu jest odbierane wodą płynącą w przestrzeni między rurowej.

Rodzaj stosowanego materiału.

Wymiennik ciepła pracuje w niskiej temperaturze T=343K i mało agresywnym środowisku dlatego użyto do budowy stal St3S , którą można stosować do T=573K.Zaproponowano poziome ustawienie wymiennika. Płaszcz, rury na króćce, dennice i rurki wykonano ze stali St3S wg PN-64/M-35411.

Inne szczegóły.

Średnica wymiennika Dz= 0,5[m]

Grubość ścianki s = 0,011 [m]

Długość rur l = 1,25 [m]

Ilość rur i = 73 [sztuk]

Powierzchnia wymiany ciepła F = 0,0834 [m²]

Ilość wymienianego ciepła Q = 601157,35 [J/h]

Parametry opisujące właściwości czynnika.

Woda

Lepkość.

T [^oC]	10	20
η[Pa*s]	13,0427*10^-4	10,0008*10^-4
[Pa*s]	11,52225*10^-4

Gęstość.

T [^oC]	10	20
ρ [kg/m^3]	999,6	998,2
[kg/m^3]	998,9

Ciepło właściwe.

T [^oC]	10	60
Cp [J/kg*K]	4211,92	4203,55
Cp [J/kg*K]	4207,73

Współczynnik przewodzenia ciepła.

T [^oC]	10	20
λ[W/m*K]	0,575	0,599
[W/m*K]	0,587

Toluen.

Lepkość.

T [^oC]	30	70
η[Pa*s]	0,522*10^-3	0,35*10^-3
[Pa*s]	0,44*10^-3

Gęstość.

T [^oC]	30	70
ρ [kg/m^3]	856,5	818
[kg/m^3]	837,25

Ciepło właściwe.

T [^oC]	30	70
Cp [J/kg*K]	1751,4	1935,8
Cp [J/kg*K]	1843,6

Współczynnik przewodzenia ciepła.

T [^oC]	30	70
λ[W/m*K]	0,1335	0,1255
[W/m*K]	0,1295

DANE	OBLICZENIA	WYNIK
Bilans cieplny.
GA= 20 [m^3/h] = = 4,651 [kg/s] CpA=1843,6 [J/kg K] CpB=4207,7 [J/kg K] ΔtA= 40 ΔtB= 10	Obliczenie masowego natężenia przepływu wody. GA*CpA*ΔtA = GB*CpB*ΔtB	GB= 35,0516 [kg/s]
ΔTA= 50 ΔTB= 20	Moduł napędowy procesu.	Δtm=35
Współczynnik wnikania ciepła (dla toluenu).
dz= 0,038 [m] dw=0,0308 [m] wA=0,5[m/s] ρA= 837,25[kg/m^3] ηA=0,00044[Pa*s]	Obliczenie liczby Reynoldsa.	Re=29572,5917[-]
CpA=1843,6 [J/kg K] ηA=0,00044[Pa*s] λA= 0,1295 [W/m K]	Obliczenie liczby Prandtla.	Pr=6,20702[-]
Re=29572,5917[-] Pr=6,20702[-]	Obliczenie liczby Nusselta. Nu = 0,023*Re^0,8*Pr^0,4	Nu=180,1327[-]
Nu=180,1327[-] λA= 0,1295 [W/m K] dw=0,0308 [m]	Obliczenie współczynnika wnikania ciepła.	αA= 757,37639[-]
Obliczenie ilości rurek.
GA= 4,651 [kg/s] ρA= 837,25[kg/m^3]	Obliczenie objętościowego natężenia przepływu.	V=0,041865[m^3/s]
Wymiennik ciepła	Agnieszka Łatko	Str. 7
DANE	OBLICZENIA	WYNIK
V=0,041865[m^3/s] dw=0,0308 [m] wA=0,5[m/s]	Obliczenie ilości rurek.	i=112,43[sztuk] Wg. normy BN-80/2251-04 przyjęto i = 73 [sztuk]
Obliczenia dla przestrzeni międzyrurowej.
	Obliczenie średnicy wewnętrznej aparatu. Średnica wewnętrzna aparatu została odczytana z normy BN-80/2251-04 i wynosi Dw = 0,486 [m].	Dw = 0,486 [m]
Dw = 0,486 [m] dz= 0,038 [m]	Obliczenie pola powierzchni przekroju.	F = 0,18428 [m^2]
Dw = 0,486 [m] dz= 0,038 [m]	Obliczenie obwodu ograniczającego powierzchnię. O = π*Dw+i*π*dz	O = 10,2364 [m]
F = 0,18428 [m^2] O = 10,2364 [m]	Obliczenie średnicy zastępczej.	de = 0,072 [m]
Obliczenie współczynnika wnikania ciepła (dla wody).
de = 0,072 [m]	Obliczenie pola powierzchni.	f = 0,00407055 [m^2]
GB= 35,0516 [kg/s] f = 0,00407055 [m^2] ρB= 998,9 [kg/m^3]	Obliczenie liniowej prędkości przepływu.	wB = 8,6205[m/s]
wB = 8,6205[m/s] de = 0,072 [m] ρB= 998,9 [kg/m^3] ηB=0,00115217[Pa*s]	Obliczenie liczby Reynoldsa.	Re = 53818,1812[-]
Wymiennik ciepła	Agnieszka Łatko	Str. 8
DANE	OBLICZENIA	WYNIK
Re = 53818,1812[-] ηB=0,00115217[Pa*s] λB = 0,587 [W/m K]	Obliczenie liczby Prandtla.	Pr = 8,259014[-]
Re = 53818,1812[-] Pr = 8,259014[-]	Obliczenie liczby Nusselta. Nu = 0,023*Re^0,8*Pr^0,4	Nu = 205,7038[-]
Nu = 205,7038[-] λB = 0,587 [W/m K] de = 0,072 [m]	Obliczenie współczynnika wnikania ciepła.	αB = 1676,828[-]
αA= 757,37639[-] αB = 1676,828[-]	Obliczenie współczynnika przenikania ciepła.	K = 724,646[-]
Obliczenie powierzchni wymiany ciepła.
GA= 4,651 [kg/s] CpA=1843,6 [J/kg K] ΔtA= 40 Q = 2,584*10^6 [J/h] K = 724,646[-] Δtm=35	Obliczenie strumienia cieplnego. Q = GA*CpA*ΔtA Obliczenie powierzchni wymiany ciepła	Q = 2,584*10^6 [J/h] F' = 1,42682[m^2]
Obliczenie długości rurek.
i = 73 [sztuk] dz= 0,0038 [m]	Obliczenie powierzchni jednostkowej pęku rurek. Fj = i*π*dz	Fj = 0,871036 [m]
F' = 1,42682[m^2] Fj = 0,871036 [m]	Obliczenie długość rurek.	L = 1,638[m]
L = 1,6 [m] Dw = 0,486 [m]	Sprawdzenie warunku smukłości.	Warunek został spełniony.
Wymiennik ciepła	Agnieszka Łatko	Str. 9
DANE	OBLICZENIA	WYNIK
Dobór dennic.
	Dobrano dennice wg. PN-64/M-35411 [5] o następujących wymiarach: Dz = 0,508[m] hz = 0,127[m] hC = 0,149[m] g = 0,06[m]
Dobór króćców wlotowych i wylotowych.
	Dobrano króćce wg. PN-76/2211-40 [5] o następujących wymiarach: Dz^' = 0,23 [m] Dnom = 0,15 [m] hkr = 0,135 [m]
Dobór kołnierza pod płaszcz.
	Dobrano kołnierz wg. PN-87/H-74710/03 o następujących wymiarach: Dz = 0,508 [m] Dz^' = 0,6 [m] hkoł = 0,068 [m]
Dobór łap podporowych
	Dobrano 4 łapy wg. BN-64/2212-02 o następujących wymiarach: p = 0,075 [m] W = 0,08 [m] k = 0,078 [m]
Obliczenie wysokości aparatu.
L = 1,6[m] hD = 0,070 [m] hkr = 0,135 [m] hkoł = 0,040 [m]	H = L + 2hD +2hkr + 2hkoł	H = 2,09[m]
Wymiennik ciepła	Agnieszka Łatko	Str. 9

LITERATURA

[1] Pikoń J.: Podstawy konstrukcji aparatury chemicznej, tom I , II , III,

Wyd.1 Warszawa PWN 1979

[2] Pikoń J.: Atlas konstrukcji aparatury chemicznej , Warszawa , PWN 1979

[3] Poradnik Mechanika tom I , II

[4] Kurmaz L.: Podstawy konstrukcji maszyn. Projektowanie. Warszawa PWN 1999

[5] Broniarz - Press L.: Inżynieria chemiczna i procesowa cz.II Procesy wymiany ciepła

Poznań WPP 2001

SPIS NORM

[1] BN-80/2251-04 Jednorodne wiązki rur stalowych D_z = 159 - 508 [mm]

[2] PN-64/M-35411 Dna elipsoidalne stalowe o średnicy zewnętrznej 33,5 - 508 [mm]

[3] PN-76/2211-40 Króćce ze stali węglowej i kołnierzem przypawanym okrągłym a szyjką

[4] PN-87/H-74710/03 Kołnierze przypawane okrągłe z szyjką

[5] BN-64/2212-02 Łapy do aparatów pionowych

8

---