Opole, 06.02.2013r.

OBLICZENIA PROJEKTOWE WYMIENNIKA CIEPŁA DLA PROCESU SCHŁADZANIA MIESZANINY GAZOWEJ

(toluen-azot)

Projekt wykonała:

Magdalena Schabowicz

Inżynieria Środowiska III

Spis treści:

I Wstęp teoretyczny

II Dane i założenia projektowe do obliczeń

III Obliczenia projektowe

V Podsumowanie

Literatura

I. Wstęp teoretyczny

1.1 Wymiennikami ciepła - są nazywane urządzenia do wymiany ciepła między płynami o różnych temperaturach. Wymiana ciepła od gorącego płynu do ścianki albo powierzchni rurki jest dokonana przez konwekcję; przez ścianę rurki albo płytę przez przewodzenie i dalej przez konwekcję do zimnego płynu.  Wymienniki ciepła występują w różnych dziedzinach techniki i często noszą nazwy określające ich przeznaczenie, np: chłodnice, skraplacze, wytwornice pary (kotły parowe), podgrzewacze, przegrzewacze, parowniki itp.

1.2. Podział wymiennika:

W zależności od tego, jak działają i jaką konkretną rolę pełnią poszczególne urządzenia, podział wymienników ciepła może być różnoraki. Odmiennie dzielimy je ze względu na:

• budowę, rodzaj substancji, które mają służyć wymianie, charakter działania i kilka innych czynników.

Jeśli chodzi o budowę, to można wyodrębnić wymienniki:

• cieplne typowo rurowe, rurowo-płaszczowe, rury cieplne, spiralne, pojemnościowe, lamelowe, płytowe i kilka innych pozycji.

Ponadto, dzieląc ze względu na rodzaje substancji biorących udział w wymianie cieplej wyróżniamy urządzenia, które umożliwiają wymianę między:

• cieczami, gazem a cieczą, dwoma gazami, ciecz a ciało stałe. Poza tym, dochodzi do wymiany między wszelkimi innymi substancjami.

W zależności od tego, w jakim trybie pracuje dany wymiennik, możemy podzielić je na dwie grupy:

• tych, które pracują ciągle i te, które funkcjonują tylko okresowo.

Konkretne rodzaje wymienników zależą o tego, do czego są nam one potrzebne. Najpopularniejsze wydają się być po prostu kaloryfery funkcjonujące w naszych domach. Powszechne w użytku są też chłodnice służące w samochodach i chłodziarkach. Wymienniki stanowią podstawę systemów klimatyzacyjnych. Niezbędne są również wymienniki przemysłowe, których jest chyba najwięcej. Mamy jeszcze podział ze względu na:

• organizację przepływu: współprądowe, przeciwprądowe, krzyżowe;

• ilość czynników wymieniających ciepło oraz obecność mieszania: z mieszaniem, bez mieszania, z mieszaniem niektórych czynników.

1.3. Opis i budowa wymiennik płaszczowo-rurowego

Klasycznym wymiennikiem ciepła jest wymiennik płaszczowo-rurowy (rys. 1). Składa się on z pęku (wiązki) rur umocowanych w płytach (dnach) sitowych, zamkniętych z dwoma dennicami (pokrywami). Jeden z dwóch czynników, między którymi jest wymieniane ciepło przepływa wewnątrz rur, drugi natomiast w przestrzeni między rurowej. Górny zakres stosowanej temperatury wynosi 700-800 K, ciśnienie 2,5-6,5 MPa, powierzchnia wymiany ciepła- do ok. 2000m², przy średnicach <1,5m i długości rur do 9m.

Rys. 1. Standardowy wymiennik ciepła płaszczowo-rurowego: 1-płaszcz, 2-rurki, 3-dno sitowe,

4-odpowitrzenie.

1.4. Zastosowanie i użytkowanie wymiennika płaszczowo rurowego

Wymienniki płaszczowo-rurowe mogą pracować w pozycji poziomej, pionowej lub jako podwieszane. Pozwala to projektantom na swobodę w ulokowaniu wymiennika w całej instalacji. Wymienniki tego typu mogą pracować jako:

• chłodnice woda/woda

• chłodnice woda/olej

• podgrzewacze

• skraplacze lub parowacze

• chłodnice sprężonego powietrza oraz

• wymienniki do odzysku ciepła ze spalin

Wymienniki płaszczowo-rurowe stosowane są:

• w układach grzewczych - węzłach cieplnych,

• przemyśle spożywczym,

• przemyśle chemicznym,

• systemach hydraulicznych,

• chłodzeniu maszyn hydraulicznych silników

• układach wentylacji i klimatyzacji

W zastosowaniach, gdzie występuje duże zanieczyszczenie jednego z mediów, bardzo ważną rzeczą jest prawidłowe określenie wielkości współczynnika zanieczyszczenia. Na podstawie tej wartości zostanie dobrany odpowiedni wymiennik. Prawidłowe określenie wielkości współczynnika zanieczyszczenia pozwala potem osiągnąć długie okresy pracy pomiędzy czyszczeniami, zmniejszając przestoje oraz koszty czyszczenia.

Użytkowanie

Wymienniki płaszczowo-rurowe, prawidłowo dobrane i zainstalowane są wygodne w użytkowaniu i obsłudze. Także okresowe czyszczenie rurek jest proste, np. w porównaniu do skręcanych wymienników płytowych, gdzie wymagana jest wymiana wszystkich uszczelek pomiędzy płytami, a sama operacja rozkręcania i ponownego skręcania jest stosunkowo skomplikowana, a mianowicie w wymiennikach płaszczowo-rurowych uzyskanie dostępu do rurek polega na odkręcaniu jednej lub obu pokryw wymiennika. Rurki mogą być oczyszczane po otwarciu tylko jednej z pokryw - w niektórych typach konstrukcyjnych, wiązka rurowa może być w całości wysuwana. Strona drugiego medium pozostaje pod ciśnieniem i jest podłączona do rurociągów. Sama operacja czyszczenia jest prosta i szybka. Zmniejsza to przestoje i koszty serwisowania.

1.5. Zasada działania wymiennika płaszczowo-rurowego

Ze względu na zasadę działania można wymienniki ciepła podzielić na:

• przeponowe wymienniki ciepła, czyli rekuperatory,

• wymienniki ciepła z wypełnieniem, czyli regeneratory

• wymienniki ciepła o działaniu bezpośrednim, czyli mieszalniki

W wymiennikach płaszczowo-rurowych następuje wymiana ciepła pomiędzy dwoma mediami wg ogólnej zasady:

• medium o większym współczynniku wymiany ciepła i/lub większym zanieczyszczeniu (głównie woda) przepływa przez rurki ( z A do B )

• „czystsze” medium, które zwykle ma mniejszy współczynnik wymiany ciepła, np. oleje, czynniki chłodnicze ( freony ) czy też para - przepływa na zewnątrz rurek, w przeciwprądzie (z C do D ).

Liczba przegród oraz ich rozmieszczenie wynika z konstrukcji wymiennika oraz warunków pracy i jest odpowiednio dobrana do zadanych parametrów procesowych.

Pozwala to na dokładny dobór naszego wymiennika ( „w punkt” ), czym różni się on od typowych wymienników płaszczowo-rurowych, gdzie ich standaryzacja narzuca czasami konieczności wyboru niekorzystnego kompromisu i przewymiarowania wymiennika.

1. Dane i założenia projektowe do obliczeń

Aby uzyskać opis zjawisk zachodzących w wymienniku wprowadza się następujące założenia upraszczające:

- współczynnik przenikania ciepła „k” jest jednakowy na całej powierzchni wymiany ciepła

wymiennika;

- ciepło w ściance wymiennika (przegrodzie) jest przewodzone prostopadle do ścianki;

- projektowany aparat (wymiennik ciepła) działa przeciwprądowo;

- nie ma strat ciepła do otoczenia lub też dopływu ciepła z otoczenia. W rzeczywistości straty

te są małe (rzędu kilku %), nie uwzględnia się ich w wymianie ciepła;

- mieszanina toluen-azot, wybierając dane dla obliczeń, opieramy się na azocie.

- entalpie płynów wymieniających ciepło są proporcjonalne do temperatury (I=m Cp T), tzn

Cp= constans.

Dane:

-strumień przepływu mieszaniny toluen-azot

G_A= 0,84 [kg/s]

-temperatura na wlocie do wymiennika

T_A1= 67 [˚C]

-temperatura na wylocie z wymiennika

T_A2= 41 [˚C]

-strumień przepływu czynnika chłodzącego - woda

G_B=23,7 [kg/s]

-temperatura na wlocie czynnika chłodzącego

T_B1= 14,8 [˚C]

-temperatura na wylocie czynnika chłodzącego

T_B2= 15 [˚C]

-ilość rur w wymienniku, rury ze stali węglowej w układzie heksagonalnym

n= 85

-średnica zewnętrzna rury

d_z= 25 [mm]= 0,025 [m]

-średnica wewnętrzna rury

d_w= 21 [mm]= 0,021 [m]

- grubość ścianki rur

g= 2 [mm]

Dane z tablic:

ρ_N=1,25 [kg/m³] -gęstość azotu

μ_N= 18*10^-6 [Pa*s]=[kg/m*s] -lepkość azotu

λ_N= 0,0228 [W/m*K] - współczynnik przewodzenia ciepła azotu

C_pA= 1,04*10³ [J/kg*K] - ciepło właściwe azotu

ω_N= 2 [m/s] -prędkość przepływu pary w rurociągu

ρ_H2O=998 [kg/m³] -gęstość wody

μ_H2O= 11,52*10^-4 [Pa*s]=[kg/m*s] -lepkość wody

λ _H2O = 0,58 [W/m*K] - współczynnik przewodzenia ciepła wody

C_{p H2O} = 4,2*10³ [J/kg*K] - ciepło właściwe wody

ω _H2O = 5 [m/s] -prędkość przepływu wody w rurociągu

2. Obliczenia projektowe

1. Bilans cieplny

Q = Q_A = Q_B

Q_A= G_A·Cp_A· (T_A1- T_A2)

Q_A=1040·0,84·(67-41)

Q = Q_A = Q_B =22713,6

2. Temperatura na wylocie czynnika chłodzącego

Q_B= G_B· Cp_B· (T_B2- T_B1) = > T_B2= T_B1+ Q_B / G_B·Cp_B

T_B2=15˚C

3. Średni spadek temperatury
   

Δt₁=46˚C

Δt₂=26,2˚C

Δt_m=35,36˚C

4. Pola powierzchni przekroju wymiennika oraz rur:

Średnicę wewnętrzną wymiennika oblicza się z zależności D/d.

Dla danej ilości rur „n” przyjmuje się podziałkę „t”.

Dla n=85 => D/t = 9,2; dla d_z=25 => t=32

D= t· 9,2= 32 · 9,2

D=294,4 = 0,294 [m]

Średnica ekwiwalentna:

de= (D²-n ·d_z²) /(D+n ·d_z)

de=0,019

5. Pole przekroju poprzecznego przestrzeni międzyrurowej

A= ∏ · (D²- n· d_z²)/4

A=0,036 [m²]

6. Pole przekroju poprzecznego przestrzeni rurowej

An= ∏ ·(d_w²· n) /4

An= 0,029 [m²]

7. Współczynnik przenikania ciepła

1/k=1/α_A+g/λ+1/1/α_B α_A= ? α_B= ?

8. Współczynniki wnikania ciepła α_A i α_B (liczymy dla cieczy A i B)

8.1. Dla ciepła α_A :

T_śr= (T₁+T₂)/2

T_1A=67˚C

T_2A=41˚C

T_śrA=54˚C

-lepkość μ=18·10^-6 [Pa·s]=[kg/m·s]

-współczynnik przewodzenia λ_N= 0,0228 [W/m·K]

-ciepło właściwe C_pA= 1,04·10³ [J/kg·K]

-prędkość gazu w rurociągu ω_N= 2 [m/s]

-gęstość ρ=1,25 [kg/m³]

• Liczba Prandtla Pr = Cp·μ/λ

Pr= 1,04·10³ ·18·10^-6/ 0,0228 = 0,82

• Liczba Reynoldsa Re = ω·d_w·ρ/μ

Re= 2·0,021·1,25 / 18·10^-6 = 2916,6

• Liczba Nusselta Nu=0,23·Re^0,8·Pr^0,4

Nu=0,23·2916,6 ^0,8 · 0,82 ^0,4 = 12,56

• Współczynnik wnikania ciepła α_A=Nu· λ/d

α_A= 12,56· 0,0228 / 0,025 = 11,45

8.2. Dla ciepłą α_B :

T_śr= (T₁+T₂)/2

T_1A=14,8˚C

T_2A=15˚C

T_śrA=14,9˚C

-lepkość μ_H2O= 11,52·10^-4 [Pa·s]=[kg/m·s]

-współczynnik przewodzenia λ _H2O = 0,58 [W/m·K]

-ciepło właściwe C_{p H2O} = 4,2·10³ [J/kg·K]

-prędkość gazu w rurociągu ω _H2O = 5 [m/s]

-gęstość ρ_H2O=998 [kg/m³]

• Liczba Prandtla Pr = Cp·μ/λ

Pr= 4,2·10³ ·11,52·10^-4/ 0,58 = 8,34

• Liczba Reynoldsa Re = ω·d_w·ρ/μ

Re= 5·0,021·998 / 11,52·10^-4 = 9,096·10^-4

• Liczba Nusselta Nu=0,23·Re^0,8·Pr^0,4

Nu=0,23·(9,096·10^-4) ^0,8 · 8,34 ^0,4 = 1982

• Współczynnik wnikania ciepła α_A=Nu· λ/d

α_A= 1982· 0,58 / 0,025 = 4598,24

9. Współczynnik przenikania ciepła (λ=60)

1/k=1/α_A + g/λ + 1/α_B

1/k = 8,8·10^-3 = > k =11,36

10. Powierzchnia wymiany ciepła F

Wyznaczanie całkowitej powierzchni zewnętrznej rury potrzebnej do wymiany ciepła

F`= Q/ k· Δtm

F`= 5,65

Powierzchnia F powiększona o współczynnik bezpieczeństwa

F= 1,3· F`

F=7,34

Obliczanie długości rur wewnątrz wymiennika

F = ∏· d_z ·L· n = > L= F / ∏ · dz · n

L=1,10·10^-3 = 1,10 [m]

Literatura

1. http://www.gea-polska.com.pl/produkty/katalog/plaszczowo_rur0404.pdf

2. Hobler T., Ruch ciepła i wymienniki.

3. Pudlik W., Wymiana i wymienniki ciepła.

---