POLITECHNIKA POZNAŃSKA Wydział Technologii Chemicznej Instytut Technologii i inżynierii Chemicznej Zakład Inżynierii i Aparatury Chemicznej
PROJEKT WYMIENNIKA CIEPŁA
Rok akademicki 2009/2010
Wykonał
Dawid Zrąbkowski
TEMAT PROJEKTU Zaprojektować aparat służący do ochładzania 1600 kg/h dwutlenku węgla, znajdującego się pod ciśnieniem 1 atm, od temperatury 100^oC do 70^oC. Jako czynnik chłodzący zastosować powietrze o temperaturze 20^oC.
UWAGI

Dokumentacja techniczna wymiennika ciepła.

1.Strona tytułowa

2.Charakterystyka techniczna aparatu

3. Strony obliczeniowe

4. Spis treści

5.Wykaz oznaczeń z jednostkami

6.Spis cytowanej literatury

7.Rysunek ofertowy

Charakterystyka techniczna aparatu

1.1.Zastosowanie.

Zaprojektować aparat służący do ochładzania 1600 kg/h dwutlenku węgla, znajdującego się pod ciśnieniem 1 atm, od temperatury 100^oC do 70^oC. Jako czynnik chłodzący zastosować powietrze o temperaturze 20^oC.

Zastosowano wymiennik płaszczowo-rurowy.

1.2. Schemat ideowy aparatu

1.3. Rozwiązanie konstrukcyjne.

Zastosowano przeciwprądowy wymiennik płaszczowo – rurowy ze stałymi dnami sitowymi. Do budowy zastosowano rurki Φ 12 x 2 , rurki rozmieszczono w układzie heksagonalnym o podziałce

t =21mm. Wszystkie elementy wykonano ze stali St4S.

1.4. Rodzaj stosowanego materiału.

Wymiennik ciepła pracuje w niskiej temperaturze i mało agresywnym środowisku dlatego użyto do budowy stal St4S , którą można stosować do T=413,15K. Zaproponowano pionowe ustawienie wymiennika.

Stal	Re[N/m^2]	Rm[N/m^2]
St4S	2,15·10^8	2,15·10^8

1.5. Inne szczegóły.

Średnica wymiennika D_z= 0,324 [m]

Grubość ścianki s = 0,005 [m]

Długość rur L = 1 [m]

Ilość rur i = 187 [sztuk]

Powierzchnia wymiany ciepła F = 4,23[m²]

Ilość wymienianego ciepła Q = 9118,8 [J/s]

Współczynnik przenikania ciepła K = 39,31 [W/(m²·K)]

2. Parametry opisujące właściwości czynnika.

2.1 Powietrze B

2.1.1. Lepkość.

T [^oC]	20	40
η[Pa*s]	18,224*10^-6	19,224*10^-6
[Pa*s]	18,724*10^-6

2.1.2. Gęstość.

T [^oC]	20	40
ρ [kg/m^3]	1,164	1,056
30^oC [kg/m^3]	1,127

2.1.3. Ciepło właściwe.

T [^oC]	20	40
Cp [J/kg*K]	1013,2	1013,2
Cp [J/kg*K]	1013,2

2.1.4. Współczynnik przewodzenia ciepła.

T [^oC]	20	40
λ[W/m*K]	0,02517	0,02645
[W/m*K]	0,02581

2.2. Gaz (CO₂) B

2.2.1. Lepkość.

T [^oC]	100	70
η[Pa*s]	2,23*10^-5	1,89*10^-5
[Pa*s]	2,06*10^-5

2.2.2. Gęstość.

T [^oC]	100	70
ρ [kg/m^3]	1,42	1,54
[kg/m^3]	1,48

2.2.3. Ciepło właściwe.

T [^oC]	100	70
Cp [J/kg*K]	931,8	886,4
Cp [J/kg*K]	909,1

2.2.4. Współczynnik przewodzenia ciepła.

T [^oC]	100	70
λ[W/m*K]	0,0225	0,02025
[W/m*K]	0,021375

Dane	Obliczenia	Wynik
3. Bilans cieplny.
TA1=313 [K]] TA2=293[K] GB=0,45[kg/s] CpA=1013,2 [J/kg*K]	3.1.Średnie ciepło właściwe powietrza CpA(TA1)-ciepło właściwe powietrza w T=313[K] z [1] CpA(TA2)-ciepło właściwe powietrza w T=293 [K] z [1]	CpA=1013,2 [J/kg*K]
	3.2. Średnie ciepło właściwe gazu B CpB(TB1)-ciepło właściwe mieszaniny w T=373[K] z [1] CpB(TB2)-ciepło właściwe mieszaniny w T=343[K] z [1]	CpB=909,1 [J/kg*K]
	3.3.Ilośc ciepła wymienianego Q = GB**(TA1-TA2)	Q=9118,8[J/s]
TB1=373[K] TB2=343[K] Q=9118,8 [J/s] CpB=909,1 [J/kg*K]	3.4.Masowe natężenie przepływu gazu B	GA=0.335[kg/s]
4.Moduł napędowy procesu.
TA1=313 [K] TA2=293[K] TB1=373[K] TB2=343[K]	Jako rozwiązanie konstrukcyjne zastosowano układ przeciwprądowy. TB1 TB2 TA1 TA2 ΔT­­1=T­B1-TA1 ΔT2=TB2-TA2	ΔT1=60[K] ΔT2=50[K] ΔTm=54,85[K]
5.Ilośc rurek.
	5.1 Powierzchnia przekroju rurek. Do budowy wymiennika użyto rurki stalowe o wymiarach Φ = 12 x 2 zgodnie z normą BN – 80/2251-10 i założona prędkość przepływu czynnika chłodzonego wynosi ωA = 15[m/s]
ωA = 15 [m/s] GB=0.45[kg/s] ρB = 1,48	5.2. Pole przekroju rurek.	fB = 0,02 [m^2]
dZ = 0,016 [m] dw = 0,012 [m] s = 0,002 [m] t = 0,021 [m] ωA = 15 [m/s] fA =0,02 [m^2]	5.3. Ilość rurek w oparciu o normy dw = dz – 2s dw – średnica wewnętrzna rurek Przyjęto ilość rurek równą i= 187 na podstawie normy BN 80/2251-04	dw = 0,012 [m] i = 176,9 i = 187
7. Średnica wymiennika.
Dw = 0,294 [m] dz=0,016[m] t=0,021[m]	$$\frac{D_{w}}{t} = 14$$ Dw = 14 ∙ t Dw’ = Dw+ dz Dw”=Dw’+t Dw – Średnica wewnętrzna powłok cylindrycznych zwijanych z blach wg BN-64/2201-05	Dw = 0,294 [m] Dw’=0,31 [m] Dw”=0,331[m] Dw=0,314[m]
8.Sprawdzenie założonej prędkości.
dw = 0,012 [m] GB=0,45kg/s] i = 187 ρ = 1,48	F = fr · i Założona prędkość odpowiada prędkości obliczeniowej.	fr = 1,13•10^−4[m^2] V = 0,304[m^3/s] F = 0,021131[m^2] ωB = 14,4 [m/s]
9.Równanie kryterialne.
dw = 0,012 [m] dz = 0,016 [m] ρA = 1,11 [kg/m^3] ηA = 18,724*10^−6 [Pa*s] GA=0.335[kg/s] Dw=0,314[m] i = 187 λA = 0,02581 [W/m*K] dh = 0,0163 ReA = 7827 PrA = 0,735 NuA = 53,78 λA = 0,02581 [W/m*K]	9.1 Dla czynnika chłodzącego A (powietrze) 9.1.1.Liczba Reynoldsa ReA 9.1.2.Liczba Prandtla PrA 9.1.3.Liczba Nusselta NuA 9.1.4.Współczynnik wnikania ciepła αA	VA = 0,3 fA = 0,037 [m^2] ReA = 7827 PrA = 0,735 NuA = 53,78 αA= 85,157 [W/m^2*K]
ωB = 14,4 [m/s] [m/s] dw=0,012 [m] ρB = 1,48 [kg/m^3] ηB=2,06  • 10^−5[Pa·s] λB =0,021375[W/m*K] ReB = 12414 PrB = 0,876 NuB = 41,1	9.2. Dla czynnika chłodzonego CO2 (B) 9.2.6.Liczba Reynoldsa ReB 9.2.7.Liczba Prandtla PrB 9.2.8. Liczba Nusselta NuB 9.2.9. Współczynnik wnikania ciepła αB	ReB = 12414 PrB = 0,876 NuB = 41,1 αB = 73,2 [W/(m^2·K)]
10.Współczynnik przenikania ciepła.
αA= 85,157[W/m^2·K] αB = 73,2 [W/m^2·K] λ=54,7 [W/m·K] s=0,002[m]		K=39,31 [W/(m^2·K)]
	11.Teoretyczna powierzchnia wymiany ciepła.
Q=9118,8 [J/s] K=39,31 [W/(m^2·K)] ΔTm=54,85 [K]		Ft=4,23[m^2]
	12. Długość rurek.
Ft=4,024 [m^2] dz = 0,016 [m] dw = 0,012 [m] i = 187 Frz=5,499 [m^2] Fm=8,22052 [m]	12.1. Powierzchnia rzeczywista. Frz=Ft+0,3Ft 12.2. Powierzchnia jednostkowa rurek. Fm=πidm 12.3. Długość rurek .	Frz=5,499 [m^2] dm=0,014[m] Fm=8,22052 [m] L=0,669 [m]
H = 1[m] Dw=0,314[m]	13. Warunek smukłości.
	14. Obliczenia grubości ścianki płaszcza
Pow=10^5 [Pa] Dw=0,314 [m] Re = 2,14*10^8 c1=0,0005 [m] c2=0,001 [m] c3=0 [m] c =0,0015 [m] Pow=10^5 [Pa] Dw=0,314 [m] k=1,19*10^8 [N/m^2] g=0,005 [m]	14.1. Obliczeniowa grubość ścianki 14.2. Rzeczywista grubość ścianki g=g0+c c=c1+c2+c3 Dobieram grubość ścianki płaszcza wg normy BN-65/2002-02 g=0,006 m 14.3. Obliczanie największego niewzmocnionego otworu w płaszczu zbiornika. a) b) c)	g0=0,000144[m] k=118888888,9 [N/m^2] g =0.0019 [m] Zr=0,029 d1=0,0283 [m] d2=0,1134[m] d3=0,2 [m] więc d=d1

15. Sprawdzenie grubości ścianki ze względu na sztywność
Dz=Dw+2g=0,324 m Re = 2,14·10^8
16.Dobór dennic
16.1. Obliczenia grubości dennic
Dz=0,324 m Pow=10^5 Pa Re = 2,15·10^8 z=0,8*zdop=0,64 x=1,55
17. Wyznaczanie średnicy największego otworu nie wymagającego wzmocnienia w płaszczu, dennicy
Dw=0,314 m Pow=10^5 Pa g=0,005 m c2=0,001 m k=1,19∙10^8
n=15 t=0,021[m] dz=0,016[m] Pow=10^5[Pa·s] k=13 •10^7[N/m^2] c=0,0015[m] f=1,8096•10^−4[m^2]
19.Dobór armatury na podstawie norm
19.1. Dobór kołnierza
19.2.Wyznaczenie wielkości króćców
GA = 0,45$\frac{\text{kg}}{s}$ założone dla króćca: ωB = 30 [m/s]
GB= 0.335[kg/s] ρB = 1,127[kg/m^3] założone dla króćca: ωb= 25 m/s

20. Obliczanie dotyczące masy aparatu
Dw=0,314 [m] H= 1[m] ρst=7850[kg/m^3] dz=0,016[m] Dz=0,324[m] gds = 20 dw=0,012 [m] Dkoł = 0,324 Z normy PN-67/H-74722 Dnom= 0,3 Wiec: Dzkoł = 0,44 i=187 H=1 [m] hw=0,081 m hc=0,020 m
20.2 Masa zalanego aparatu
dw = 0,012m
20.3. Wyznaczanie wielkości łap wspornych

21. Spis treści Strona

1. Charakterystyka techniczna aparatu 3

1.1.Zastosowanie. 3

1.2. Schemat ideowy aparatu 3

1.3.Rozwiązanie konstrukcyjne. 4

1.4.Rodzaj stosowanego materiału 4

1.5Inne szczegóły 4

2. Parametry opisujące właściwości czynnika. 5

2.1. Powietrze B

2.1.1. Lepkość. 5

2.1.2 Gęstość. 5

2.1.3. Ciepło właściwe 5

2.1.4. Współczynnik przewodzenia ciepła.

2.2. Dwutlenek węgla A 6

2.2.1. Lepkość 6

2.2.2.Gęstość 6

2.2.3.Ciepło właściwe 6

2.2.4.Współczynnik przewodzenia ciepła 6

3. Bilans cieplny 7

3.1.Średnie ciepło właściwe powietrza 7

3.2. Średnie ciepło właściwe CO₂ 7

3.3.Ilość ciepła wymienianego 7

3.4.Masowe natężenie przepływu gazu CO₂ 7

4.Moduł napędowy procesu. 8

5.Ilośc rurek. 8

5.1 Powierzchnia przekroju rurek. 8

5.2. Pole przekroju rurek. 9

5.3. Ilość rurek w oparciu o normy 9

7. Średnica wymiennika. 9

8.Sprawdzenie założonej prędkości . 9

9.Równanie kryterialne. 10

9.1 Dla czynnika chłodzącego A (powietrze) 10

9.1.1.Liczba Reynoldsa Re_A 10

9.1.2.Liczba Prandtla Pr_A 11

9.1.3.Liczba Nusselta Nu_A 11

9.1.4.Współczynnik wnikania ciepła α_A 11

9.2.Dla czynnika chłodzonego CO₂ 11

9.2.1. Liczba Reynoldsa Re_B 12

9.2.2. Liczba Prandtla Pr_B 12

9.2.3. Liczba Nusselta Nu_B 12

9.2.4. Współczynnik wnikania ciepła α_A 12

10.Współczynnik przenikania ciepła. 13

11.Teoretyczna powierzchnia wymiany ciepła. 13

12.Długość rurek. 13

12.1. Powierzchnia rzeczywista. 13

12.2. Powierzchnia jednostkowa rurek. 13

12.3. Długość rurek 13

12.4. Obliczenie wysokości czynnej aparatu 13

13. Warunek smukłości. 14

14. Obliczenia konstrukcyjne. 14

14.1. Obliczeniowa grubość ścianki 14

14.2 Rzeczywista grubość ścianki 14

14.3 Obliczona największego niewzmocnionego otworu w płaszczu 14

15. Sprawdzenie grubości ścianki ze względu na sztywność 15

16. Dobór dennic 15

16.1 Obliczanie grubości dennic 15

17. Wyznaczanie średnicy największego otworu nie wymagającego

wzmocnienia w płaszczu i dennicy 15

18. Obliczenia grubości dna sitowego 16

19. Dobór armatury na podstawia norm 16

19.1 Dobór kołnierza 16

19.2. Wyznaczanie wielkości króćców 16

20. Obliczenia dotyczące masy aparatu 18

20.1 Masa aparatu pustego 18

20.2 Masa aparatu zalanego 19

20.3 Wyznaczenie wielkości łap wspornych 19

21. Spis treści 20

22.Wykaz oznaczeń z jednostkami 21

23.Wykaz literatury 23

24. Rysunek ofertowy

22. Wykaz oznaczeń z jednostkami

a – współczynnik według tablic

c₁ – naddatek grubości blachy ze względu na minusową

odchyłkę blachy [m]

c₂ - naddatek grubości blachy ze względu na korozję [m]

c – całkowity naddatek grubości blachy [m]

- średnie ciepło właściwe czynnika grzejnego [J/kg*K]

- średnie ciepło właściwe czynnika ogrzewanego [J/kg*K]

d_w - średnica wewnętrzna rurek [m]

D_w - średnica wewnętrzna wymiennika [m]

d_z - średnica zewnętrzna rurek [m]

D_z - średnica zewnętrzna wymiennika [m]

F –powierzchnia rurki [m²]

f_A –pole przekroju rurek [m²]

f_m - przekrój przestrzeni międzyrurowej [m²]

F_m – powierzchnia jednostkowa rurek [m²]

f_r – powierzchnia przekroju rurki [m²]

F_rz – powirzchnia rzeczywista rurek [m²]

F_t – teoretyczna powerzchnia wymiany ciepła [m²]

f_w – przekrój wewnętrzny rurki [m²]

g – rzeczywista grubość powłoki [m]

L-długość rurek [m]

i –ilość rurek

i’-liczba rurek w rzędzie zerowym

k’ – dopuszczalne natężenie na rozciąganie [N/m²]

K-współczynnik przenikania ciepła [W/m²K]

m₁-masa króćca w dennicy [kg]

m₂- masa króćca w płaszczu [kg]

m_d- masa dennicy [kg]

m_r-całkowita masa rurek [kg]

Nu_A – liczba Nusselta dla czynnika grzejnego

P – pojemność dennic [m³]

p_ow – ciśnienie obliczeniowe [Pa]

p_r – ciśnienie robocze [Pa]

Pr_A – liczba Prandtla

Pr_B – liczba Prandtla

Q – ilość ciepła wymienianego [J/s]

q^v – przyspieszenie ziemskie [m/s²]

Re – granica plastyczności [N/m²]

Re_A – liczba Reynoldsa

Re_B – liczba Reynoldsa

s – grubość ścianki płaszcza [m]

s₁ – grubość ścianki rurek [m]

t - podziałka [m]

V – objętościowe natęrzenie przepływu [m³/s]

X_e – współczynnik bezpieczeństwa

Z_dop ­­- dopuszczalny współczynnik wytrzymałości szwu

α’ – współczynnik poprawkowy

α_A – wspólczynnik wnikania ciepła [W/m²*K]

α_B - wspólczynnik wnikania ciepła [W/m²*K]

ΔT_m – moduł napędowy [K]

η_A – lepkość czynnika grzejnego [Pa*s]

η_B – lepkość czynnika ogrzewanego [Pa*s]

λ_A – współczynnik przewodzenia ciepła [W/m*K]

λ_B - współczynnik przewodzenia ciepła [W/m*K]

ρ_A – gęstość czynnika grzejnego [kg/m³]

ρ_B - gęstość czynnika ogrzewanego [kg/m³]

ρ_st - gęstość stali [kg/m³]

ω_A – założona prędkość przepływu [m/s]

ω_B – prędkość przepływu [m/s]

23. Wykaz literatury:

1. L. Broniarz – Press, J.Różański, S.Woziwodzki

„Inżynieria chemiczna i procesowa – procesy wymiany ciepła”

2. L.W. Kurmaz „Podstawy konstrukcji maszyn – projektowanie