AKADEMIA TECHNICZNO-ROLNICZA

im. J.J. ŚNIADECKICH

w Bydgoszczy

PROJEKT NR 2

WYMIENNIK CIEPŁA

SŁUŻĄCY DO PODGRZEWANIA n-HEPTANU

T₁[⁰C] = 25 T₂[⁰C] = 50

p[MPa] = 0,5 G_A[t/h] = 7,8

Wykonała:

Anna Szewczyk

Technologia Chemiczna

III Rok

Bydgoszcz 2001

Spis treści.

1. Bilans cieplny 4

2. Obliczanie powierzchni wymiany ciepła 4

3.Określenie liczby rurek i średniej prędkości przepływu płynu 4

4.Obliczanie liczby Re,Pr,Nu i współczynnika wnikania ciepła α 5

5. Obliczanie współczynnika przenikania ciepła K 6

6. Obliczanie długości rurek 6

7.Obliczanie średnicy wewnętrznej płaszcza 6

7.1.Obliczanie średnicy obejmującej rury od zewnątrz 6

7.2.Obliczanie średnicy wewnętrznej płaszcza 7

8. Dobór materiału 7

9. Sprawdzenie kompensacji cieplnej wymiennika 7

10. Obliczanie den wyoblonych 8

10.1. Obliczanie grubości dna wyoblonego 8

10.2. Obliczanie wymiarów dna wyoblonego 8

11. Obliczanie den sitowych 9

12. Obliczanie grubości ścianki powłoki walcowej „g₀ 9

12.1. Obliczanie naprężeń dopuszczalnych 9

12.2. Obliczanie współczynnika wytrzymałościowego „z” 10

12.3. Wyznaczanie współczynnika „a” 10

12.4. Obliczanie „g_o 10

12.5. Obliczanie grubości blachy ze względu na sztywność 10

13. Dobór króćców 11

13.1.Obliczanie średnicy króćców 11

14.Obliczanie wzmocnień dla otworów w zbiorniku 11

14.1. Wyznaczenie największej średnicy otworu nie wymagającego wzmocnienia 11

15. Zestawienie podstawowych wymiarów wymiennika 12

Projekt wymiennika płaszczowo - rurowego służącego do podgrzewania kwasu mlekowego od temperatury 30^oC do temperatury 75^oC. Czynnikiem grzewczym jest woda o temperaturze początkowej 95^oC i końcowej 45^oC. Zakładam, że kwas mlekowy płynie w rurkach, a woda w przestrzeni międzyrurowej .

Podstawowe dane:

• medium: kwas mlekowy

• ciśnienie: p = 0,5 [MPa]

• strumień masowy: G = 7,5[t/h]

• T_A1 = 303 [K]

• T_A2 = 348 [K]

OZNACZENIA :

G_A- strumień masy kwasu mlekowego,

G_B- strumień masy wody

D_z - średnica zew. powłoki walcowej,

D_wp - średnica wew. powłoki walcowej

d_z - średnica zew. rurek, d_w - średnica wew. rurek,

P_ow - ciśnienie obliczeniowe (wewnętrzne)

k - naprężenie dopuszczalne na rozrywanie

Re - graniczna płynność na rozrywanie, Re - liczba Reynoldsa

t - temperatura, Δt_m - średnia różnica temperatur

Xe - współczynnik bezpieczeństwa odniesiony do granicznej płynności

K - współczynnik wnikania ciepła

g_o - grubość ścianki

Z_dop - współczynnik zakładu spawalniczego

c - naddatki grubości,

c₁ - naddatek na minimalne odchylenie blachy

c₂ - naddatek na korozję

c₃ - naddatek na dodatkowe naprężenia nie pochodzące od ciśnienia

s - przyrost korozji

τ - czas

μ_ω - współczynnik wytrzymałości wyoblenia

F - powierzchnia wymiany ciepła ,

H_c - wysokość części cylindrycznej,

ω - wskaźnik osłabienia

ρ_B - gęstość wody, ρ_A - gęstość kwasu mlekowego, ρ_st - gęstość stali

C_B - ciepło właściwe wody, C_A - ciepło właściwe kwasu mlekowego,

Nu - liczba Nusselta,

Pr - liczba Prandtla

Q - ilość ciepła wymieniana

u_A - prędkość przepływu kwasu mlekowego,

u_B- prędkość przepływu wody

L - długość rurek wymiennika,

η - lepkość

α - współczynnik wnikania ciepła,

λ - współczynnik przewodzenia ciepła

DANE	OBLICZENIA	WYNIKI
GA = 2,083 kg/s CA= 1416,5 J/kgK CB= 4183 J/kgK TA1 = 303K TA2 = 348 K TB1 = 368 K TB2 = 318 K Δtm = 17,38 K Q = 132775,6 W K=783W/m^2K ρA= 1206 kg/m^3 GA = 2,083kg/s uA = 0,5 m/s dw = 0,012 m GB =0,63 kg/s ρB=998,2kg/m^3 uA = 0,5 m/s ρA =1206kg/m^3 ηA=0,612*10^-3Pa s dw = 0,012 m CA= 1416,5J/kgK λA = 0,145W/mK GB = 0,63kg/s ηB=1*10^-3Pa s dw = 0,012 m n = 31 CB= 4183 J/kgK λB = 0,598 W/mK σ = 0,002 m λstali = 46,5 W/m^2K αA = 1029,9 W/m^2K αB = 11474,7 W/m^2K 1/α0 = 0,000176 dz = 0,016m Fc = 10,73 m n = 31 t = 1,35*dz t = 0,0208 m dz = 0,016 m Dw = 0,157 m g = 0,005 m dz = 0,016 m gr = 0,002 m n = 31 tp =391K tr = 288K Ep =1,8*10^11Pa Er = 1,98*10^11Pa Rep = 1,98*10^8 Pa Xe = 1,8 Rer = 2,1*10^8Pa Xe = 1,8 Dz = 0,167m g = 0,005 m Re,to ­= 24,456*10^7 N/m^2 Xe = 1,8 α = 0,9 z = 0,8 k=1,228*10^8N/m^2 pow = 0,5*10^6Pa μ = 2 Dz = 0,18 m Hz = 0,065 g = 0,005 m do = 0,0167 m t = 0,0208 m pow = 0,5*10^6Pa dz = 0,016m Re = 24*10^7 N/m^2 tos = 20^oC Xe = 1,8 α = 0,9 zdop = 0,8 z = 0,8 a = 1,0 Dw = 0,157 m pow = 0,5*10^6Pa k=1,2228*10^8 N/m^2 c1=0,0008 m s = 0,1*10^-3m/rok τ = 10 lat c3 = 0 go = 0,00031 m g = 0,005 m Dw = 0,157 m 2,94*10^8/Rm=0,88 GA = 2,083 kg/s ρA = 1206kg/m^3 uA = 0,5 m/s GB = 0,63 kg/s ρB= 998,2 kg/m^3 uB = 1,19 m/s k =1,228*10^8N/m^2 a = 1 Dw = 0,157m pow = 0,5*10^6Pa g = 0,005m c2 = 0,001 m	Bilans cieplny. Q = GA*CA*ΔTA Q = 2,083*1416,5 *45 Q = 132775,6W GB = (GA*CA*ΔTA)/CB*ΔTB GB = (2,083*1416,5 *45)/4183*50 GB = 0,63 kg/s 2. Obliczanie powierzchni wymiany ciepła. Logarytmiczna różnica temperatur. 303 348 368 318 368K 368 K 318 K 303 K Δt1 = 20K Δt2 = 15 K Δtm = (ΔT1+ΔT2)/lnΔT1/ΔT2 Δtm = (20+15)/ln20/15 Δtm = 17,38 K Q = K*F*Δtm F = Q/K*Δtm F = 132775,6/ 783 *17,38 F = 9,76 m Fc = 1,1*F Fc = 1,1*9,76 Fc = 10,73 m 3.Określenie liczby rurek i średniej prędkości przepływu płynu. Przyjmuję prędkość liniową kwasu mlekowego uA = 0,5 m/s oraz rurki ϕ 16/12 ze stali kotłowej K 10 n = Fr / fr Fr = GA / uA*ρA Fr = 2,083/0,5*1206 Fr = 0,00345 m^2 Fr = π*dw^2/4 fr = 3,14*(0,012)^2/4 fr = 0,000113 m^2 n = Fr / fr n = 0,00345/0,000113 n ≅ 30,6 Przyjmuję liczbę rurek n = 31 w układzie heksagonalnym wg tablicy 8-14 „Ruch ciepła i wymienniki” T.Hobler Średnia prędkość przepływu wody. de = 4*F/O de = (Dwp^2-n*dz^2)/(Dwp+n*dz) de = (0,157^2 - 31*0,016^2)/(0,157+31*0,016) de = 0,026 m uB = 4*GB/ρB*π*de^2 uB = 4*0,63/998,2*3,14*0,026^2 uB = 1,19m/s 4.Obliczanie liczby Re,Pr,Nu i współczynnika wnikania ciepła α. kwas mlekowy Re = uA*dw*ρA/ηA Re = 0,5*0,012*1206/0,612*10^-3 Re = 11823,5 11823,5> 10000 zakres burzliwy Pr = CA*ηA/λA Pr =1416,5*0,612*10^-3/0,145 Pr = 5,98 Nu = 0,023*Re^0,8*Pr^0,4 Nu = 0,023*11823,5^0,8*5,98 ^0,4 Nu = 85,2 αA = Nu*λA/dw αA = 85,2*0,145/0,012 αA = 1029,9 W/m^2K woda Re = 4*GB/n*ηB*π*de Re = 4*0,63/31*1*10^-3*3,14*0,026 Re = 99571,7 Pr = CB*ηB/λB Pr = 4183*1*10^-3/0,5989 Pr = 6,99 Nu = 0,023*Re^0,8*Pr^0,4 Nu = 0,023*99571,7^0,8*6,99^0,4 Nu = 498,9 αB = Nu*λB/de αB = 498,9*0,598/0,026 αB = 11474,7 W/m^2K 5. Obliczanie współczynnika przenikania ciepła K 1/K = 1/αA + σ/λstali +1/αB + 1/α0 1/α0 - opory miejscowe 1/K = 1/1029,9 +0,002/46,5 + 1/11474,7 + 0,000176 1/K = 1,277*10^-3 K = 783 W/m^2K 6. Obliczanie długości rurek. Fc = π*dz*l*n l = Fc/π*dz*n l = 10,73/3,14*0,016*31 l = 4,24 m Przyjmuje długość rurek 4,25m. 7. Obliczanie średnicy wewnętrznej płaszcza. 7.1.Obliczanie średnicy obejmującej rury od zewnątrz. D/t = 5,35 D = 5,35*t D = 5,35*0,0208 D = 0,111 m D^' = D + dz D^' = 0,111+0,016 D^' = 0,127 m 7.2.Obliczanie średnicy wewnętrznej płaszcza. Przyjmuję 15 mm odstępu rur od ściany płaszcza po każdej stronie. Dwp­ = D^'+0,03 Dwp­ = 0,127+0,03 Dwp­ = 0,157 m 8. Dobór materiału. Dobieram stal węglową ST3S 9. Sprawdzenie kompensacji cieplnej wymiennika. powierzchnia przekroju płaszcza Fp = *(Dw +g)*g Fp = 3,14*(0,157+0,005)*0,005 Fp = 0,0025 m^2 powierzchnia przekroju rur Fr = *(dz-gr)*gr*n Fr = 3,14*(0,16-0,002)*0,002*1 Fr = 0,0027 m^2 siła wzajemnego oddziaływania między płaszczem a rurami Pt = *(tp-20)- r(tr-20)/(Ep*Fp)^-1+(Er*Fr)^-1 Pt= 2,768*10^5 N całkowita siła rozciągająca płaszcz i rury P= 0,785*(Dw^2 - dz^2*n)*Pow+dw^2*n*Pt P= 7,795*10^3 N max naprężenie występujące w płaszczu pmax = Pt/Fp+(P*Ep)/(Ep*Fp+Er*Fr) pmax=2,768*10^5/0,0025+(7,795*10^3*1,8*10^11) /(1,8*10^11*0,0025+1,98*10^11*0,0027) pmax= 1,425*10^6 kr = 1,98*10^8/X kr = 1,98*10^8/1,8 kr = 1,1*10^8 kr > pmax 1,1*10^8>1,425*10^6 warunek spełniony max naprężenie występujące w rurkach rmax = Pt/Fr+{P*Er0/(Ep*Fp+Er*Fr) rmax =1,567*10^6 kr = Rer/Xe kr = 2,1*10^8/1,8 kr = 1,176*10^8 kr > pmax 1,35*10^8> 1,567*10^6 warunek spełniony 10. Obliczanie den wyoblonych. 10.1. Obliczanie grubości dna wyoblonego. g = (Dz*pow*μω/4k*z) + c μω = f( ω) = = 0,389 dla den z otworami prawidłowo wzmocnionymi ω = 0 , μ = 2 k = *α k = = 1,22*10^8 N/m^2 g = g = 0,0022 m Przyjmuję grubość blachy znormalizowaną wg normy BN-65/2002-02, g = 0,005 m 10.2. Obliczanie wymiarów dna wyoblonego. rw = rw = = 0,046 m rw ≥ 0,1Dz Warunek został spełniony, gdyż 0,046 ≥ 0,0167 Rw = Rw = = 0,103 m Hz ≥ 0,18Dz Warunek został spełniony, gdyż 0,065 ≥ 0,03 Rw ≤ Dz Warunek został spełniony, gdyż 0,103 ≤ 0,167 11. Obliczanie den sitowych. qmin = 3,4*do qmin = 56,7 mm t = m + do m = 20,8 - 16,7= 4,1 mm g = qmin / m g = 56,7/4,1 = 0,0138 m f = 2*D-(π*do^2)/4 f = 2*(3^0,5*t^2/4)-(π*do^2)/4 Przyjmuję grubość równą g = 0,02 m f = 2*(3^0,5*t^2/4)-(π*do^2)/4 f = 1,557*10^-4 m^2 pow*f/(π*dz­*l)<σz 5,165*10^4 < 0,49*10^7 warunek został spełniony. 12. Obliczanie grubości ścianki powłoki walcowej „g0”. g0 = Dw*pow/(2,3/a)*k*z - pow 12.1. Obliczanie naprężeń dopuszczalnych. Re,to­ = Re*1,019 - 0,09*tos/100 - 0,018*(tos/100)^2 Re,to­ = 24,456*10^7 N/m^2 k = (Re,to / Xe)* α k = (24,456*10^7/1,8)*0,9 k = 13,586*10^7 N/m^2 12.2. Obliczanie współczynnika wytrzymałościowego „z” . z = 1,0*zdop z = 1,0*0,8 z = 0,8 12.3. Wyznaczanie współczynnika „a” . Zakładam, że β = Dz/Dw ≤ 1,4 Dla β ≤ 1,4 odczytane z tablicy [2,4] „Ruch ciepła i wymienniki” T.Hobler a wynosi 1,0 12.4. Obliczanie „go”. go = go = 0,00031 m 12.4. Rzeczywista grubość ścianki. g = go + c c = c1+c2+c­­3 c2 = s*τ c2 = 0,1*10^-3*10 c2 = 0,001 m c = 0,0008 +0,001 c = 0,0018 m g = 0,00031+ 0,0018 g = 0,0021 m Przyjmuję grubość blachy znormalizowaną wg normy: PN - 75/M-35412 g = 0,005m 12.5. Obliczanie grubości blachy ze względu na sztywność. gszt = (Dz/320)*(2,94*10^8/Rm) Dz = 2g +Dw Dz = 2*0,005 + 0,157 = 0,167 m gszt = (0,167/320)*0,88 = 0,00046 m warunek, że g> gszt jest spełniony. 13. Dobór króćców. 13.1.Obliczanie średnicy króćców. dla kwasu mlekowego QA = GA / ρA QA = 2,083/1206 = 0,00173m^3/s F = QA / uA F = 0,00173/0,5 = 0,00345 m^2 F = (π/4)*d^2 ⇒ d = d = = 0,066 m Przyjmuję króciec wlotowy i wylotowy d = 0,065m wg normy BN-76/2211-36 dla wody QB = GB/ρB QB = 0,63/998,2 =0,00063 m^3/s F = QB /uB = 0,00063/1,19= 0,00053 m^2 F = (π/4)*d^2 ⇒ d = d = = 0,026 m Przyjmuję króciec wlotowy i wylotowy d = 0,032m Wg normy BN-76/2211-36 14. Obliczanie wzmocnień dla otworów w zbiorniku. 14.1. Wyznaczenie największej średnicy otworu nie wymagającego wzmocnienia. Największa średnica otworu nie wymagająca wzmocnienia równa jest najmniejszej z trzech podanych wartośći: d = 0,81 [Dw(g-c2)(1-zr)]^1/3 d = 0,35Dz d = 0,2 m dla części cylindrycznej zr = zr = 0,070m d = 0,81[0,57(0,005-0,001)(1-0,070)]^1/3 = 0,068 d = 0,35*0,167 = 0,058m d = 0,2m Średnica największego nie wzmocnionego otworu w części walcowej wynosi d = 0,058 m dla dennic zr = 0,016 m d = 0,81[[0,157(0,02-0,001)(1-0,016)]^1/3 = 0,116 d = 0,35*0,167= 0,058 m d = 0,2m Średnica największego nie wzmocnionego otworu w dennicy wynosi d = 0,056 m 15. Zestawienie podstawowych wymiarów wymiennika. Długość wymiennika 4,25 m Ilość rurek 31 sztuk Ilość biegów 1 Średnica rurek 16/12 Średnica wewnętrzna wymiennika 0,157 m Średnica zewnętrzna wymiennika 0,167 m Grubości ścianki powłoki walcowej 0,005m Grubość dna wyoblonego 0,005 m Króciec wlotowy i wylotowy dla kwasu mlekowego 0,065 m Króciec wlotowy i wylotowy dla wody 0,032 m Grubość den sitowych 0,02 m	Q = 132775,6W GB = 0,63 kg/s Δtm = 17,38 K F = 9,76 m Fc = 10,73 m Fr = 0,00345 m^2 fr = 0,000113 m^2 n = 31 de = 0,026 m uA = 1,19 m/s Re = 11823,5 Pr = 5,98 Nu = 85,2 αA=1029,9 W/m^2K Re = 99571,7 Pr = 6,99 Nu = 498,9 αB=11474,7W/m^2K K = 783 W/m^2K l = 4,24 m D = 0,111 m D^' = 0,127 m Dwp­ = 0,157 m Fp = 0,0025 m^2 Fr = 0,0027 m^2 Pt= 2,768*10^5 N P= 7,795*10^4 N kr = 1,425*10^8 pmax = 1,567*10^6 kr = 1,176*10^8 = 0,389 ω = 0 μ = 2 k = 1,22*10^8 N/m^2 g = 0,0022 m rw = 0,046 m Rw = 0,103 m g = 0,0138 m f = 1,557*10^-4 m^2 Re,to­ = 24,456*10^7 N/m^2 k=13,586*10^7 N/m^2 z = 0,8 a = 1 go = 0,00031 m c2 = 0,001 m c = 0,0018 m g = 0,0021 m Dz = 0,167 m QA=0,00173m^3/s F = 0,00345 m^2 d = 0,065 m QB = 0,00063 m^3/s F = 0,00053 m^2 d = 0,032 m zr = 0,070m d = 0,068 m d = 0,058 m d = 0,2m zr = 0,016 m d = 0,0116 m d = 0,058 m d = 0,2

11

WYMIENNIK CIEPŁA

SŁUŻĄCY DO PODGRZEWANIA

KWASU MLEKOWEGO

T₁[⁰C]= 30 T₂[⁰C]=75

P[MPa]= 0,5 G[t/h]= 7,5

---