POLITECHNIKA OPOLSKA

WYDZIAŁ MECHANICZNY

Gospodarowanie energią

- projekt.

„Projekt płaszczowo-rurowego

wymiennika ciepła”.

Katarzyna Głowska

II Inżynieria Środowiska

Gr. 1

Dane:	Tok obliczeniowy:	Wyniki:
N2=40% zN=0,4 CO=20% zCO=0,2 CO2=20% zCO2=0,2 O2=20% zO2=0,2	Czynnik gorący „A”(mieszanina gazów): N2=40% zN=0,4 CO=20% zCO=0,2 CO2=20% zCO2=0,2 O2=20% zO2=0,2 $$M_{A} = \sum_{}^{}Z_{i}*M_{i} = \sum_{}^{}\text{ri}*M_{i}$$ MA = ZN2 * MN2 + ZCO * MCO + ZCO2 * MCO2 + ZO2 * MO2 MA = 0, 4 * 28 + 0, 2 * 28 + 0, 2 * 44 + 0, 2 + 32 MA = 32 kg/kmol
zN=0,4 zCO=0,2 zCO2=0,2 zO2=0,2	Udział masowy: $$g_{i} = Z_{i}\frac{M_{i}}{M_{A}}$$ $$g_{N_{2}} = 0,4\frac{28}{32} = 0,35$$ $$g_{\text{CO}} = 0,2\frac{28}{32} = 0,175$$ $$g_{\text{CO}_{2}} = 0,2\frac{44}{32} = 0,275$$ $$g_{O_{2}} = 0,2\frac{32}{32} = 0,2$$	gN2 = 0, 35 gCO = 0, 175 gCO2 = 0, 275 gO2 = 0, 2
	Zmiana strumienia: $\dot{G_{A}} = 12600\frac{\text{kg}}{h}$ = 3,5$\frac{\text{kg}}{s}$	$$\dot{G_{A}} = 3,5\frac{\text{kg}}{s}$$
gN2 = 0, 35 gCO = 0, 175 gCO2 = 0, 275 gO2 = 0, 2 tA1=300 tA2=200	Średnie ciepło właściwe czynnika gorącego, McpA $$C_{p_{n}} = \sum_{}^{}{g_{i}*C_{p_{i}}}$$ Na wlocie w temperaturze 300ºC $$C_{p_{N_{2}\left| \frac{300}{0} \right.\ }} = 1,049\ \frac{\text{kJ}}{kg*}$$ $$C_{p_{\text{CO}\left| \frac{300}{0} \right.\ }} = 1,054\ \frac{\text{kJ}}{kg*}$$ $$C_{p_{\text{CO}_{2}\left| \frac{300}{0} \right.\ }} = 0,949\ \frac{\text{kJ}}{kg*}$$ $$C_{p_{O_{2}\left| \frac{300}{0} \right.\ }} = 0,950\ \frac{\text{kJ}}{kg*}$$ $$C_{p_{A\left| \frac{300}{0} \right.\ }} = 0,35*1,049 + 0,175*1,054 + 0,275*0,949 + 0,2*0,95 = 1,0026\frac{\text{kJ}}{kg*}$$ Na wylocie w temperaturze 200ºC $$C_{p_{N_{2}\left| \frac{200}{0} \right.\ }} = 1,043\ \frac{\text{kJ}}{kg*}$$ $$C_{p_{\text{CO}\left| \frac{200}{0} \right.\ }} = 1,046\ \frac{\text{kJ}}{kg*}$$ $$C_{p_{\text{CO}_{2}\left| \frac{200}{0} \right.\ }} = 0,866\ \frac{\text{kJ}}{kg*}$$ $$C_{p_{O_{2}\left| \frac{200}{0} \right.\ }} = 0,995\ \frac{\text{kJ}}{kg*}$$ $$C_{p_{A\left| \frac{200}{0} \right.\ }} = 0,35*1,043 + 0,175*1,046 + 0,275*0,866 + 0,2*0,995 = 0,9974\frac{\text{kJ}}{kg*}$$	$$C_{p_{A\left| \frac{300}{0} \right.\ }} = 1,0026\frac{\text{kJ}}{kg*}$$ $$C_{p_{A\left| \frac{200}{0} \right.\ }} = 0,9974\frac{\text{kJ}}{kg*}$$
	Czynnik zimny „B” (powietrze): N2=79% zN=0,79 O2=21% zO2=0,21 Masy molowe: MN2=2*14=28kg/kmol MO2=32/kmol Zastępcza masa molowa:
	Udział masowy:
tB1=160 tB2=30	Średnie ciepło właściwe czynnika zimnego, CpmB Średnie ciepło właściwe dla powietrza odczytujemy z tablic i dla danych temperatur obliczamy za pomocą interpolacji. $Dla\ 0 = 1,004\ \frac{\text{kJ}}{kg*}$ $Dla\ 100 = 1,006\frac{\text{kJ}}{kg*}$ $Dla\ 200 = 1,012\frac{\text{kJ}}{kg*}$ Na wylocie $$C_{\text{pB}\left| \frac{160}{0} \right.\ } = 1,0096\ \frac{\text{kJ}}{kg*}$$ Na wlocie $$C_{\text{pB}\left| \frac{30}{0} \right.\ } = 1,0046\ \frac{\text{kJ}}{kg*}$$	$$C_{\text{pB}\left| \frac{160}{0} \right.\ } = 1,0096\ \frac{\text{kJ}}{kg*}$$ $$C_{\text{pB}\left| \frac{30}{0} \right.\ } = 1,0046\ \frac{\text{kJ}}{kg*}$$
$$C_{p_{A\left| \frac{300}{0} \right.\ }} = 1,0026\frac{\text{kJ}}{kg*}$$ $$C_{p_{A\left| \frac{200}{0} \right.\ }} = 0,9974\frac{\text{kJ}}{kg*}$$ $$\dot{G_{A}} = 3,5\frac{\text{kg}}{s}$$ tA1=300 tA2=200	Wyznaczenie wielkości uzupełniających z bilansu Strumień ciepła czynnika gorącego, $${\dot{\mathbf{Q}}}_{\mathbf{A}}\mathbf{=}{\dot{\mathbf{G}}}_{\mathbf{A}}\left( \mathbf{C}_{\mathbf{p}_{\mathbf{A}}\left| \frac{\mathbf{t}_{\mathbf{A}\mathbf{1}}}{\mathbf{0}} \right.\ }\mathbf{*}\mathbf{t}_{\mathbf{A}\mathbf{1}}\mathbf{-}\mathbf{C}_{\mathbf{p}_{\mathbf{A}}\left| \frac{\mathbf{t}_{\mathbf{A}\mathbf{2}}}{\mathbf{0}} \right.\ }\mathbf{*}\mathbf{t}_{\mathbf{A}\mathbf{2}} \right)$$ $${\dot{Q}}_{A} = {\dot{G}}_{A}\left( C_{p_{A}\left| \frac{300}{0} \right.\ }*300 - C_{p_{A}\left| \frac{200}{0} \right.\ }*200 \right)$$ $${\dot{Q}}_{A} = 3,5\left( 1,0026*300 - 0,9974*200 \right) = 354,5588\ kW$$	$${\dot{Q}}_{A} = 354,5588\ kW$$
tB1=30 tB2=160 $$C_{\text{pB}\left| \frac{160}{0} \right.\ } = 1,0096\ \frac{\text{kJ}}{kg*}$$ $$C_{\text{pB}\left| \frac{30}{0} \right.\ } = 1,0046\ \frac{\text{kJ}}{kg*}$$	Strumień ciepła czynnika zimnego, $${\dot{Q}}_{\text{str}} = 5\% Q_{B}$$ $$\dot{\mathbf{Q}}\mathbf{=}{\dot{\mathbf{Q}}}_{\mathbf{A}}\mathbf{= 0,05}{\dot{\mathbf{Q}}}_{\mathbf{B}}$$ $${\dot{\mathbf{Q}}}_{\mathbf{A}}\mathbf{=}{\dot{\mathbf{Q}}}_{\mathbf{B}}\left( \mathbf{1 + 0,05} \right)\mathbf{\rightarrow}{\dot{\mathbf{Q}}}_{\mathbf{B}}\mathbf{=}\frac{{\dot{\mathbf{Q}}}_{\mathbf{A}}}{\mathbf{1,05}}$$ $${\dot{Q}}_{B} = \frac{354,5588}{1,05} = 337,675\ kW$$ $${\dot{\mathbf{Q}}}_{\mathbf{B}}\mathbf{=}{\dot{\mathbf{G}}}_{\mathbf{B}}\left( \mathbf{C}_{\mathbf{p}_{\mathbf{B}\left| \frac{\mathbf{t}_{\mathbf{B}_{\mathbf{1}}}}{\mathbf{0}} \right.\ }}\mathbf{*}\mathbf{t}_{\mathbf{B}_{\mathbf{1}}}\mathbf{-}\mathbf{C}_{\mathbf{p}_{\mathbf{B}\left| \frac{\mathbf{t}_{\mathbf{B}_{\mathbf{2}}}}{\mathbf{0}} \right.\ }}\mathbf{*}\mathbf{t}_{\mathbf{B}_{\mathbf{2}}} \right)$$ $${\dot{\mathbf{Q}}}_{\mathbf{B}}\mathbf{=}{\dot{\mathbf{G}}}_{\mathbf{B}}\left( \mathbf{C}_{\mathbf{p}_{\mathbf{B}\left| \frac{\mathbf{160}}{\mathbf{0}} \right.\ }}\mathbf{*160 -}\mathbf{C}_{\mathbf{p}_{\mathbf{B}\left| \frac{\mathbf{30}}{\mathbf{0}} \right.\ }}\mathbf{*30} \right)$$ $${\dot{\mathbf{G}}}_{\mathbf{B}}\mathbf{=}\frac{{\dot{\mathbf{Q}}}_{\mathbf{B}}}{\mathbf{C}_{\mathbf{p}_{\mathbf{B}\left| \frac{\mathbf{160}}{\mathbf{0}} \right.\ }}\mathbf{*160 -}\mathbf{C}_{\mathbf{p}_{\mathbf{B}\left| \frac{\mathbf{30}}{\mathbf{0}} \right.\ }}\mathbf{*30}}$$ $${\dot{G}}_{B} = \frac{337,675}{1,0096*160 - 1,0046*30} = 2,5699\ \frac{\text{kg}}{s} = 9251,5107\ \frac{\text{kg}}{h}$$	$${\dot{Q}}_{B} = 337,675kW$$ $${\dot{G}}_{B} = 2,5699\ \frac{\text{kg}}{s}$$
tA1=300 tA2=200 tB1=30 tB2=160 $${\dot{Q}}_{A} = 354,5588\ kW$$ tm = 154, 5149	Spadek temperatury $$\mathbf{}\mathbf{t}_{\mathbf{m}}\mathbf{=}\frac{\mathbf{}\mathbf{t}_{\mathbf{1}}\mathbf{-}\mathbf{t}_{\mathbf{2}}}{\mathbf{\ln}\frac{\mathbf{}\mathbf{t}_{\mathbf{1}}}{\mathbf{}\mathbf{t}_{\mathbf{2}}}}$$ t1 = tA1 − tB1 = 300 − 160 = 140 t2 = tA2 − tB2 = 200 − 30 = 170 $$t_{m} = \frac{140 - 170}{\ln\frac{140}{170}} = 154,5149$$	tm = 154, 5149 Fobl = 22, 9465m^2
	Obliczeniowa powierzchnia wymiany ciepła, Fobl $$F_{\text{obl}} = \frac{Q}{k*t_{m}}$$ Założenie: $k = 100\frac{W}{m^{2}*K}$ Q = QA = 354, 5588 kW $$F_{\text{obl}} = \frac{354558,8\ kW}{100\frac{W}{m^{2}*K}*154,5149} = 22,9465m^{2}$$
Fobl = 22, 9m^2	Obliczeniowa rzeczywista powierzchnia wymiany ciepła Frz Frzecz = 1, 25 * Fobl = 1, 25 * 22, 9465m^2 = 28, 625m^2	Frz = 28, 6831m^2
tA1=300 tA2=200	Obliczenia własności czynników, dla mieszaniny gazów, w oparciu o parametry krytyczne.	tAśr = 250°C TAśr=523,15K
	Parametry zredukowane dla czynnika gorącego, A Średnia temperatura czynnika gorącego, tAśr TAśr=250+273,15=523,15K
zN=0,4 zCO=0,2 zCO2=0,2 zO2=0,2 TKrN2 = 126, 05 K TKrCO = 132, 95 K TKrCO2 = 304, 15 K TKrO2 = 179, 15 K	Temperatura krytyczna czynnika A, Tkr,A $$\mathbf{T}_{\mathbf{\text{KrA}}}\mathbf{=}\sum_{}^{}{\mathbf{Z}_{\mathbf{i}}\mathbf{*}}\mathbf{T}_{\mathbf{\text{Kri}}}$$ TKrA = 0, 4 * 126, 05K + 0, 2 * 132, 95K + 0, 2 * 304, 15K + 0, 2 * 179, 15K TKrA = 173, 67K	Tkr,A = 140,32 K
Tkr,A = 140,32 K TAśr=413,15K	Temperatura zredukowana czynnika A, Tr,A $$T_{\text{rA}} = \frac{T_{\text{AKtA}}}{T_{\text{KrA}}}$$ $$T_{\text{rA}} = \frac{523,15}{173,67} = 3,0123K$$
zN=0,4 zCO=0,2 zCO2=0,2 zO2=0,2 PKrN2 = 339, 3 * 10^4Pa PKrCO = 349, 1 * 10^4Pa PKrCO2 = 735, 5 * 10^4Pa PKrO2 = 504, 1 * 10^4Pa	Ciśnienie krytyczne mieszaniny A, pkr,A PKrA = 0, 4 * 3393000Pa + 0, 2 * 3491000Pa + 0, 2 * 7355000Pa + 0, 2 * 5041000Pa PKrA = 4534600Pa = 4, 5346 * 10^6Pa	PKrA = 4534600Pa = 4, 5346 * 10^6Pa
PKrA = 4534600Pa = 4, 5346 * 10^6Pa	Zredukowane ciśnienie czynnika A, pr,A
TAśr=523,15K pA = 0,2⋅10^6 Pa MA = 32	Gęstość czynnika gorącego,
$$\dot{G_{A}} = 3,5\frac{\text{kg}}{s}$$ prędkość gazu w rurkach [(10÷25)m/s] założyłam: w = 15 m/s	Dobór wymiennika Powierzchnia całkowita pola przekroju rurek dla czynnika gorącego, A	= 0,1586m^2
= 0,1586m^2 Frz = 28, 6831m^2	Wymiary wymiennika Z norm wybrano wymiennik jednodrogowy bez przegród: liczba rurek n=211 wewnętrzna średnica płaszcza Dw = 800mm średnicy koła ograniczającego otwory d1 = 780mm przekroju przestrzeni międzyrurowej fm=0,2632 m^2 długość rurek wewnętrznych L=1,5m dla Fz =37,8m^2 masa wiązki rurek m=975kg o wiązce rur dz × s = 38×3,6mm o podziałce t=48mm przekrój wewnętrzny fw2 =1,571m^2	n=211 Dw = 800mm d1 = 780mm fm=0,2632 m^2 L=1,5m dla Fz=37,8m^2 m=975kg dz ×s= 38×3,6mm t=48mm fw2 =0,1571m^2
dz = 0, 038 s=0,0036 Fz=37,8m^2 a=0,905	Średnica wewnętrzna rurek dw = dz − 2s dw = 0, 038 − 2 * 0, 0036 = 0, 0308m Średnia powierzchnia wymiany ciepła a-wartość z tablic odczytana Fśr =a* Fz Fśr =0,905*37,8=34,209m^2	dw = 0, 0308m Fśr=34,209m^2
F′sr=34,209m^2 Fobl = 23, 58	Różnica % pomiędzy Fśr a Fobl
Fz=37,8m^2 no=15 dz=38mm l=1,5m	Nowa powierzchnia wymiany ciepła F’z=Fz-no*π*dz*l F’z=37,8-15*3,14*0,038*1,5=31,5243m^2	F’z=31,5243m^2
a=0,905 F’z=31,5243m^2	Nowa średnia powierzchnia wymiany ciepła F′sr = a*F’z F′sr = 0, 905 * 31, 5243 = 28, 5295m^2	F′sr=28, 5295m^2
$$\dot{G_{A}} = 3,5\frac{\text{kg}}{s}$$ fw=0,1571m^2	Prędkość czynnika A $$w_{A} = \frac{\dot{G_{A}}}{f_{w}*}$$ $$w_{A} = \frac{3,5}{0,1571*1,4713} = 15,1423\frac{m}{s}$$	wA=$15,1423\frac{m}{s}$
tB1=30 tB2=160	Parametry zredukowane dla czynnika zimnego, B Średnia temperatura czynnika zimnego, tBśr TBśr=95+273,15=368,15K	tBśr = 95°C TBśr = 368,15K
PB = 0, 2 * 10^6 MB=28,84 z=1 (MR)=8315 TBśr = 368,15K	Gęstość mieszaniny B $$\rho_{B} = \frac{P_{B}*M_{B}}{z*\left( \text{MR} \right)*T_{Bsr}}$$ $\rho_{B} = \frac{0,2*10^{6}*28,96}{1*8315*368,15} = 1$,8922$\frac{\text{kg}}{m^{3}}$	$$\rho_{B} = 1,8922\frac{\text{kg}}{m^{3}}$$
$${\dot{G}}_{B} = 2,5699\ \frac{\text{kg}}{s}$$ fm=0,2632 m^2 $$\rho_{B} = 1,8922\frac{\text{kg}}{m^{3}}$$	Prędkość czynnika B $$w_{B} = \frac{G_{B}}{f_{m}*\rho_{B}}$$ $$w_{B} = \frac{2,5699}{0,2632*1,8922} = 5,16\frac{m}{s}$$	wB=$5,16\frac{m}{s}$
	Zredukowany dynamiczny współczynnik lepkości, Zredukowany dynamiczny współczynnik lepkości „” odczytano z wykresu z tablic do obliczeń procesowych.
zN=0,4 zCO=0,2 zCO2=0,2 zO2=0,2 Z tablic procesowych	Krytyczny dynamiczny współczynnik lepkości,
	Dynamiczny współczynnik lepkości,
wA=$15,1423\frac{m}{s}$ dw = 0, 0308m	Liczba Reynoldsa, ReA	=27793
zN=0,4 zCO=0,2 zCO2=0,2 zO2=0,2 Z tablic procesowych	Krytyczny współczynnik przewodzenia ciepła,
	Zredukowany współczynnik przewodzenia ciepła, Zredukowany współczynnik przewodzenia ciepłą odczytano z wykresu z tablic do obliczeń procesowych.
	Współczynnik przewodzenia ciepła czynnika A
gN2 = 0, 35 gCO = 0, 175 gCO2 = 0, 275 gO2 = 0, 2	Ciepło właściwe, CpA 250°C N2 1,046 CO 1,05 CO2 0,9295 O2 0,9725
	Liczba Prandtla, PrA	PrA = 1,1562
c = 0,023 A = 0,8 B = 0,4 PrA = 1,1562 =27793	Liczba Nusselta, Nu	=87,5164
=87,5164 dw = 0, 0308m	Współczynnik wnikania ciepła w rurkach,	=60,6932
tB1=30 tB2=160	Parametry zredukowane dla czynnika zimnego, B Średnia temperatura czynnika zimnego, tBśr TBśr=95+273,15=368,15K	tBśr = 95°C TBśr = 368,15K
Z tablic procesowych	Temperatura krytyczna czynnika B, Tkr,B
TBśr = 368,15K	Temperatura zredukowana czynnika B, Tr,B	Tr,B = 2,7892K
Z tablic procesowych	Ciśnienie krytyczne mieszaniny B, pkr,B	pkr,B = 373,91⋅10^4Pa
pkr,B = 373,91⋅10^4Pa pB = 0,2⋅10^6Pa	Zredukowane ciśnienie czynnika B, pr,B	pr,B = 0,5349 Pa
no=15 n=211 dz=0,038 Dw = 0,8	Średnica zastępcza(ekwiwalentna) de m^2	A=0, 1402m^2
n=211 Dw = 0,8 dz=0,038	$$de = \frac{{D_{w}}^{2} - n(dz)^{2}}{Dw + n*dz}$$ $$de = \frac{{0,8}^{2} - 211(0,038)^{2}}{0,8 + 211*0,038}$$ de = 0, 038m	=0,038m
Z tablic procesowych	Krytyczny dynamiczny współczynnik lepkości,
pr,B = 0,5349 Pa Tr,B = 2,7892K	Zredukowany dynamiczny współczynnik lepkości, Zredukowany dynamiczny współczynnik lepkości „” odczytano z wykresu z tablic do obliczeń procesowych.	1,1
1,1	Dynamiczny współczynnik lepkości czynnika B,
wB=$5,16\frac{m}{s}$ $$\rho_{B} = 1,8922\frac{\text{kg}}{m^{3}}$$ =0,038m	Liczba Reynoldsa, ReB	=17323,7417
Z tablic procesowych	Krytyczny współczynnik przewodzenia ciepła,
pr,B = 0,5349 Pa Tr,B = 2,7892K	Zredukowany współczynnik przewodzenia ciepła, Zredukowany współczynnik przewodzenia ciepła odczytano z wykresu z tablic do obliczeń procesowych.
	Współczynnik przewodzenia ciepła czynnika B,
tBśr = 95°C	Czynnik zimny w przestrzeni międzyrurowej, B Rzeczywiste ciepło właściwe, CpB 0 [°C] 100 [°C] 95 [°C] N2 1,040 1,043 1,04285 O2 0,915 0,934 0,93305
	Liczba Prandtla, PrB	= 0,5644
dz = 0, 038 =0,038m =17323,7417 = 0,5644	Liczba Nusselta, NuB	=50,0276
=50,0276 =0,038m	Współczynnik wnikania ciepła w przestrzeni międzyrurowej,	=50,8175
=60,6932 =50,8175	Porównanie współczynników wnikania:	=16,27%
tAśr = 250°C tBśr = 95°C	Współczynnik przenikania ciepła, k Temperatura ścianki, tść $$t_{sc} = \frac{t_{Asr} + t_{Bsr}}{2}$$	tść = 172,5°C
	Opory zanieczyszczeń,
=60,6932 =50,8175 Stal węglowa K10 dla 172,5°C tść [^0C] λść 100 52,9 200 50,0 s = 0,0036m	Współczynnik przenikania ciepła, k
tm = 154, 5149 $${\dot{Q}}_{A} = 354,5588\ kW$$	Powierzchnię wymiany ciepła, Fobl	=
=	Rzeczywista powierzchnia wymiany ciepła Frz Frz = 1, 25 * Fob Frz = 1, 25 * 87, 8853 = 109, 8566m^2	Frz = 109, 8566m^2
TA1=573,15K TA2=473,15K pA = 0,2⋅10^6 Pa	Dobór króćców Gęstość czynnika gorącego,
TB1=303,15 TB2=433,15 pB = 0,2⋅10^6 Pa	Gęstość czynnika zimnego,	= =
	Dobór króćców Z norm dobieram króciec o wymiarach dz=406,4mm Dzk × g = 540 x 22 mm Dwk = 411 mm=0,411 m Średnica nominalna Dn = 400 mm z-rt-0,25/400/406,4-K10-PN/H-74731	Dwk = 0,411 m Dn = 400 mm
Dwk = 0,411 m $$\dot{G_{A}} = 3,5\frac{\text{kg}}{s}$$	Prędkość czynnika gorącego, wA	=19,645 =16,218
Dwk = 0,411 m = $${\dot{G}}_{B} = 2,5699\ \frac{\text{kg}}{s}$$	Prędkość czynnika zimnego, wB	= =1
	Dobór dna elipsoidalnego Dw× gn = 800×10mm HC = 40mm Hw= 200mm m=62kg 800x10 – PN/M-35412	Dw× gn =800×10mm HC = 40mm Hw= 200mm m=62kg
	Dobór podpór poziomych aparatów cylindrycznych Dla Dw=800mm a=680mm b=170mm m=650mm n=260mm h=320mm c=82mm g=6mm e1=550mm e2=110mm A 800/10 – BN/2212-04