KATEDRA TECHNOLOGII i APARATURY
PRZEMYSŁU CHEMICZNEGO i SPOŻYWCZEGO
UTP w BYDGOSZCZY
Projekt nr 2
Wymiennik ciepła do chłodzenia trójchloroetylenu
od temperatury 70oC do temperatury 20oC.
Wykonawca: Błażej Stranc
semestr V, studia dzienne
kierunek: technologia chemiczna
specjalność: technologie ochrona środowiska
Bydgoszcz, styczeń 2007r.
Oznaczenia
c - naddatek grubości
c1 - naddatek na minimalne odchylenie blachy
c2 - naddatek na korozję
Cm - ciepło właściwe medium
Cw - ciepło właściwe wody
Dw - średnica wewnętrzna powłoki walcowej
dw - średnica wewnętrzna rurek
Dz - średnica zewnętrzna powłoki walcowej
dz - średnica zewnętrzna rurek
F - powierzchnia wymiany ciepła
g0 - grubość ścianki
Gm - strumień masowy n-heksanu
Gw - strumień masowy wody
k - naprężenie dopuszczalne na rozrywanie
K - współczynnik wnikania ciepła
L - długość rurek wymiennika
Nu - liczba Nusselta
pow - ciśnienie obliczeniowe (wewnętrzne)
Pr - liczba Prandtla
Q - ilość ciepła wymieniana
Re - graniczna płynność na rozrywanie
Re - liczba Reynoldsa
s - przyrost korozji
t - temperatura
um - prędkość przepływu medium
uw - prędkość przepływu wody
Xe - współczynnik bezpieczeństwa odniesiony do granicznej płynności
zdop - współczynnik zakładu spawalnego
tm - średnia różnica temperatur
- współczynnik wnikania ciepła
- lepkość
- współczynnik przewodzenia ciepła
w - współczynnik wytrzymałości wyoblenia
ρm - gęstość medium
ρw - gęstość wody
- czas
Obliczenia
Założenia
Przyjmuję, że podgrzewanie nitrobenzenu będzie się odbywało w płaszczowo-rurkowym wymienniku ciepła wykonanym ze stali węglowej. W rurkach przepływać będzie nitrobenzen, a w przestrzeni międzyrurowej woda podgrzewająca.
Temperaturowe warunki procesu
Dane:
tpm = 30oC
tkm = 90oC
tpw = 95oC
tkw = 65oC
Nitrobenzen: temperatura początkowa tp = 30oC
temperatura końcowa tk = 90oC
Woda: temperatura początkowa tp = 95oC
temperatura końcowa tk = 65oC
Bilans cieplny
Dane:
Cwm = 1780J/kg deg
Cw = 4183J/kg deg
tpm = 30oC
tkm = 90oC
tpw = 95oC
tkw = 65oC
Gm = 6,5t/h
Ilość rurek
Dane:
ρm = 1198kg/m3
dw = 0,012m
Przyjmuję prędkość u = 1m/s
Przyjmuję rurki φ = 16x12mm
Przyjmuję wg Hoblera ilość rurek n = 19
Średnica zastępcza przestrzeni międzyrurowej
Dane:
dz = 16mm
dw = 12mm
wg Hoblera: d/t = 4
Średnica obejmująca rury zewnętrzne
Przyjmuję 5mm odstępu rur od ściany płaszcza po każdej stronie
Prędkość przepływu wody
Dane:
Gw = 1,53kg/s
ρw = 998,2kg/m3
Dz = 0,0175m
Prędkość rzeczywista przepływu medium
Dane:
Gm = 1,8kg/s
ρm = 1198kg/m3
fr = 0,000113m2
n = 19
Liczby Re, Pr, Nu i α
dla wody
Dane:
uw = 6,376m/s
Dz = 0,0175m
ρw = 998,2kg/m3
ηw = 0,001Pa . s
λw = 0,607W/m deg
b) dla nitrobenzenu
Dane:
um = 0,683m/s
dw = 0,012m
ρm = 1198kg/m3
ηm = 0,291 . 10-4Pa . s
Cwm = 1780J/kgoC
λm = 0,16W/m deg
Współczynnik przenikania K
Dane:
αm = 5169,07W/m2 deg
αw = 18819,43W/m2 deg
S = 0,002m
λst = 46,5W/m deg
1/αo = 0,000176m2 deg/W
Powierzchnia wymiany ciepła
Dane:
tpm = 30oC
tkm = 90oC
tpw = 95oC
tkm = 65oC
Q = 192240W
K = 2147,74W/m2 deg
Logarytmiczna różnica temperatur
powierzchnia wymiany ciepła
Przyjmuję 25% rezerwę powierzchni wymiany ciepła.
Długość rurek
Dane:
Fc = 2,585m2
dm = 0,014m - średni przekrój rurki
n = 19
Dobór materiału
Dobieram stal węglową St3S na płaszcz i rurki wg PN - 60/H - 86020.
Ciśnienie obliczeniowe
Dane:
ph = 1,013⋅105Pa
prw = 0,6MPa
Grubość ścianki płaszcza
Dane:
Re = 2,3⋅108Pa
Xe = 1,65
α = 0,81/deg
zdop = 0,8
Dz = 0,11m
pow = 7,013 . 105Pa
c1 = 0,0008m
c2 = 0,001m
c3 = 0m
s = 0,1mm/rok
= 10lat
k - naprężenie dopuszczalne
Dla jednostronnego doczołowego złącza z podpawaniem przyjęto:
Zakładam, że
to wówczas a = 1
Rzeczywista grubość blachy:
gdzie: τ - czas użytkowy
s - szybkość korozji
gdzie: c1 - naddatek grubości ze względu na minusową odchyłkę dla blach
c2 - naddatek grubości ze względu na korozję
c3 - naddatek grubości ze względu na dodatkowe naprężenia
Grubość blachy wynosi:
Przyjmuję znormalizowaną grubość ścianki g = 0,005m
Grubość ścianki den wyoblonych
Dane:
Dw = 0,11m
pow = 7,013⋅105Pa
z = 0,8
k = 1,11⋅108Pa
yw = 2
c = 0,0018m
g = 0,005m
Przyjmuję znormalizowaną grubość ścianki gd = 0,005m
Średnice króćca dla nitrobenzenu
Dane:
Gm = 1,8kg/s
ρm = 1198kg/m3
um = 0,683m/s
Przyjmuję króciec o średnicy d = 0,05m
Średnica króćca dla wody
Dane:
Gw = 1,53kg/s
ρw = 998,2kg/m3
uw = 6,376m/s
Przyjmuję króciec o średnicy d = 0,02m
Dna sitowe
Dane:
Do = 0,081m
n = 19
t = 21mm - wg Hoblera
dw = 0,012m
c = 0,0018m
Przyjmuję grubość dna sitowego gs = 0,005m
Wzmocnienia dla otworów w wymienniku
Dane:
Dw = 0,11m
g = 0,005m
pow = 7,013⋅105Pa
k = 1,11⋅108Pa
a = 1
dw = 0,012m
Największa średnica otworu nie wymagająca wzmocnienia równa się najmniejszej z trzech poniższych wartości:
zr - współczynnik wytrzymałościowy powłoki osłabionej otworem
Wymiennik nie wymaga wzmocnień
Kompensacja cieplna wymiennika
Dane:
n = 19
dz = 0,016m
dw = 0,012m
Dw = 0,11mm
g = 0,005m
E = 2⋅106kg/cm2
β = 0,0000121/deg
tpm = 30oC
tkm = 90oC
tpw = 95oC
tkw = 65oC
Przekrój sumaryczny rurek
Przekrój płaszcza
E - moduł Younga przyjętego materiału E = 2⋅106kg/cm2
β - współczynnik wydłużenia termicznego β = 0,0000121/deg
Temperatura średnia płaszcza
Temperatura średnia rurek
Naprężenia w rurkach
Naprężenia w płaszczu
Naprężenie dopuszczalne dla zastosowanego materiału wynosi σdop = 1000kG/cm2, kompensacja cieplna wymiennika nie jest konieczna.
Zestawienie podstawowych wymiarów wymiennika
Długość wymiennika - 3,095m
Ilość rurek - 19sztuk
Ilość biegów - 1
Średnica rurek - 16/12mm
Grubość ścianki powłoki walcowej - 0,005m
Średnica króćca wlotowego i wylotowego dla nitrobenzenu - 0,05m
Średnica króćca wlotowego i wylotowego dla wody - 0,02m
Grubość den sitowych - 0,005m
Spis treści
1. Oznaczenia
2