KADEMIA 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 GA[t/h] = 7,8
Wykonała:
Targaczewska Joanna
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 „go 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 aldehydu octowego od temperatury 20oC do temperatury 60oC. Czynnikiem grzewczym jest woda o temperaturze początkowej 80oC i końcowej 40oC. Zakładam, że aldehyd octowy płynie w rurkach, a woda w przestrzeni międzyrurowej .
Podstawowe dane:
medium: aldehyd octowy
ciśnienie: p = 0,5 [MPa]
strumień masowy: G = 7,5[t/h]
TA1 = 293 [K]
TA2 = 333 [K]
OZNACZENIA :
GA- strumień masy aldehydu octowego,
GB- strumień masy wody
Dz - średnica zew. powłoki walcowej,
Dwp - średnica wew. powłoki walcowej
dz - średnica zew. rurek, dw - średnica wew. rurek,
Pow - ciśnienie obliczeniowe (wewnętrzne)
k - naprężenie dopuszczalne na rozrywanie
Re - graniczna płynność na rozrywanie, Re - liczba Reynoldsa
t - temperatura, Δtm - średnia różnica temperatur
Xe - współczynnik bezpieczeństwa odniesiony do granicznej płynności
K - współczynnik wnikania ciepła
go - grubość ścianki
Zdop - 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
μω - współczynnik wytrzymałości wyoblenia
F - powierzchnia wymiany ciepła ,
Hc - wysokość części cylindrycznej,
ω - wskaźnik osłabienia
ρB - gęstość wody, ρA - gęstość aldehydu octowego, ρst - gęstość stali
CB - ciepło właściwe wody, CA - ciepło właściwe aldehydu octowego,
Nu - liczba Nusselta,
Pr - liczba Prandtla
Q - ilość ciepła wymieniana
uA - prędkość przepływu aldehydu octowego,
uB- 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= 2179,3 J/kgK CB= 4183 J/kgK TA1 = 293 K TA2 = 333 K TB1 = 363 K TB2 = 313 K
Δtm = 24,66 K Q = 181582,7W K=707,2 W/m2K
ρA= 778 kg/m3 GA = 2,083 kg/s uA = 0,8 m/s dw = 0,012 m
GB =0,87 kg/s ρB=998,2kg/m3
uA = 0,8 m/s ρA =778kg/m3 ηA=0,604*10-3 Pa s dw = 0,012 m
CA= 2179,3J/kgK λA = 0,12W/mK
GB = 0,87 kg/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/m2K αA = 1298,3 W/m2K αB = 2354,5 W/m2K 1/α0 = 0,000176
dz = 0,016m Fc = 11,45m 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*1011Pa Er = 1,98*1011Pa
Rep = 1,98*108 Pa Xe = 1,8
Rer = 2,1*108Pa Xe = 1,8
Dz = 0,167m g = 0,005 m
Re,to = 24,456*107 N/m2 Xe = 1,8 α = 0,9
z = 0,8 k=1,228*108N/m2 pow = 0,5*106Pa μ = 2
Dz = 0,18 m Hz = 0,065 g = 0,005 m
do = 0,0167 m t = 0,0208 m
pow = 0,5*106Pa dz = 0,016m
Re = 24*107 N/m2 tos = 20oC
Xe = 1,8 α = 0,9
zdop = 0,8
z = 0,8 a = 1,0 Dw = 0,157 m pow = 0,5*106Pa k=1,2228*108 N/m2
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*108/Rm=0,88
GA = 2,083 kg/s ρA = 778 kg/m3 uA = 0,8 m/s
GB = 0,87 kg/s ρB= 998,2 kg/m3 uB = 1,64 m/s
k =1,228*108N/m2 a = 1 Dw = 0,157m pow = 0,5*106Pa g = 0,005m c2 = 0,001 m
|
Q = GA*CA*ΔTA Q = 2,083*2179,3*40 Q = 181582,7 W
GB = (GA*CA*ΔTA)/CB*ΔTB GB = (2,083*2179,3*40)/4183*50 GB = 0,87 kg/s
2. Obliczanie powierzchni wymiany ciepła.
Logarytmiczna różnica temperatur.
333 K
293 K
Δt1 = 30K Δt2 = 20 K Δtm = (ΔT1+ΔT2)/lnΔT1/ΔT2
Δtm = (30+20)/ln30/20 F = Q/K*Δtm F = 181572,7/ 707,2 *24,66 F = 10,4 m Fc = 1,1*F Fc = 1,1*10,4 Fc = 11,45m
3.Określenie liczby rurek i średniej prędkości przepływu płynu.
Przyjmuję prędkość liniową aldehydu octowego uA = 0,8 m/s oraz rurki ϕ 16/12 ze stali kotłowej K 10
n = Fr / fr Fr = GA / uA*ρA Fr = 2,083/0,8*778 Fr = 0,00335 m2
Fr = π*dw2/4 fr = 3,14*(0,012)2/4 fr = 0,000113 m2
n = Fr / fr n = 0,00335/0,000113 n ≅ 29,6 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 = (Dwp2-n*dz2)/(Dwp+n*dz) de = (0,1572 - 31*0,0162)/(0,157+31*0,016) de = 0,026 m
uB = 4*GB/ρB*π*de2 uB = 4*0,87/998,2*3,14*0,0262 uB = 1,64m/s
4.Obliczanie liczby Re,Pr,Nu i współczynnika wnikania ciepła α.
Re = uA*dw*ρA/ηA Re = 0,8*0,012*778/0,604*10-3 Re = 12365,6 12365,6 > 10000 zakres burzliwy
Pr = CA*ηA/λA Pr =2179,3*0,60410-3/0,12 Pr = 10,79
Nu = 0,023*Re0,8*Pr0,4 Nu = 0,023*12365,60,8*10,79 0,4 Nu = 119,84
αA = Nu*λA/dw αA = 119,84*0,12/0,012 αA = 1298,3 W/m2K
Re = 4*GB/n*ηB*π*de Re = 4*0,87/31*1*10-3*3,14*0,026 Re = 13750,4
Pr = CB*ηB/λB Pr = 4183*1*10-3/0,5989 Pr = 6,99
Nu = 0,023*Re0,8*Pr0,4 Nu = 0,023*13750,40,8*6,990,4 Nu = 102,4
αB = Nu*λB/de αB = 102,4*0,598/0,026 αB = 2354,5 W/m2K
5. Obliczanie współczynnika przenikania ciepła K
1/K = 1/αA + σ/λstali +1/αB + 1/α0 1/α0 - opory miejscowe 1/K = 1/1298,3 +0,002/46,5 + 1/2354,5 + 0,000176 1/K = 1,414*10-3 K = 707,2 W/m2K
6. Obliczanie długości rurek.
Fc = π*dz*l*n l = Fc/π*dz*n l = 11,45/3,14*0,016*31 l = 7,35 m Przyjmuje długość rurek 7,35 m.
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.
Fp = Fp = 3,14*(0,157+0,005)*0,005 Fp = 0,0025 m2
Fr = Fr = 3,14*(0,16-0,002)*0,002*1 Fr = 0,0027 m2
Pt = Pt= 2,768*105 N
P= 0,785*(Dw2 - dz2*n)*Pow+dw2*n*Pt P= 7,795*103 N
/(1,8*1011*0,0025+1,98*1011*0,0027)
kr = 1,98*108/X kr = 1,98*108/1,8 kr = 1,1*108
kr > 1,1*108>1,425*106 warunek spełniony
kr = Rer/Xe kr = 2,1*108/1,8 kr = 1,176*108
kr > 1,35*108 > 1,567*106 warunek spełniony
10. Obliczanie den wyoblonych.
10.1. Obliczanie grubości dna wyoblonego.
g = (Dz*pow*μω/4k*z) + c
μω = f(
dla den z otworami prawidłowo wzmocnionymi ω = 0 , μ = 2
k =
k =
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 = rw ≥ 0,1Dz Warunek został spełniony, gdyż 0,046 ≥ 0,0167
Rw =
Rw = 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*do2)/4 f = 2*(30,5*t2/4)-(π*do2)/4 Przyjmuję grubość równą g = 0,02 m
f = 2*(30,5*t2/4)-(π*do2)/4 f = 1,557*10-4 m2 pow*f/(π*dz*l)<σz
5,165*104 < 0,49*107 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*107 N/m2
k = (Re,to / Xe)* α k = (24,456*107/1,8)*0,9 k = 13,586*107 N/m2
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*108/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.
QA = GA / ρA QA = 2,083/778 = 0,00267 m3/s F = QA / uA F = 0,00267/0,8 = 0,00335 m2
F = (π/4)*d2 ⇒ d =
d = Przyjmuję króciec wlotowy i wylotowy d = 0,065m wg normy BN-76/2211-36
QB = GB/ρB QB = 0,87/998,2 =0,000872 m3/s F = QB /uB = 0,000872/1,64 = 0,00053 m2
F = (π/4)*d2 ⇒ d =
d = 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:
zr =
Średnica największego nie wzmocnionego otworu w części walcowej wynosi d = 0,058 m
zr = 0,0147 m
Średnica największego nie wzmocnionego otworu w dennicy wynosi d = 0,056 m
15. Zestawienie podstawowych wymiarów wymiennika.
Długość wymiennika 7,35 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 aldehydu octowego 0,065 m Króciec wlotowy i wylotowy dla wody 0,032 m Grubość den sitowych 0,02 m
|
Q = 181582,7 W
GB = 0,877 kg/s
Δtm = 24,66 K
F = 10,4 m
Fc = 11,45 m
Fr = 0,00335 m2
fr = 0,000113 m2
n = 31
de = 0,026 m
uA = 1,64 m/s
Re = 12365,6
Pr = 10,79
Nu = 119,84
αA=1298,3 W/m2K
Re = 13750,4
Pr = 6,99
Nu = 102,4
αB=2354,5W/m2K
K = 707,2 W/m2K
l = 7,35 m
D = 0,111 m
D' = 0,127 m
Dwp = 0,157 m
Fp = 0,0025 m2
Fr = 0,0027 m2
Pt= 2,768*105 N
P= 7,795*104 N
kr = 1,1*108
kr = 1,176*108
ω = 0 μ = 2
k = 1,22*108 N/m2
g = 0,0022 m
rw = 0,046 m
Rw = 0,103 m
g = 0,0138 m
f = 1,557*10-4 m2
Re,to = 24,456*107 N/m2
k=13,586*107 N/m2
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=0,00267 m3/s
F = 0,00335 m2
d = 0,065 m
QB = 0,000872 m3/s
F = 0,00053 m2
d = 0,032 m
zr = 0,072m
d = 0,068 m d = 0,058 m d = 0,2m
zr = 0,0147 m
d = 0,116 m d = 0,058 m d = 0,2
|
12
WYMIENNIK CIEPŁA
SŁUŻĄCY DO PODGRZEWANIA
ALDEHYDU OCTOWEGO
T1[0C]= 20 T2[0C]=60
P[MPa]= 0,5 G[t/h]= 7,5