Katedra Technologii i Aparatury

Przemysłu Chemicznego i Spożywczego

ATR w Bydgoszczy

Projekt nr 2

Wymiennik ciepła do chłodzenia toluenu

od temperatury kondensacji do 40° C

Wykonawca : Marcin Marczyński

Semestr V, studia dzienne

Kierunek : Technologia Chemiczna

Specjalność : Technologia Procesów Chemicznych

Żnin Grudzień 2003

Oznaczenia

c - naddatek grubości

c₁ - naddatek na minimalne odchylenie blachy

c₂ - naddatek na korozję

C_m - ciepło właściwe medium

C_w - ciepło właściwe wody

D_w - średnica wewnętrzna powłoki walcowej

d_w - średnica wewnętrzna rurek

D_z - średnica zewnętrzna powłoki walcowej

d_z - średnica zewnętrzna rurek

F - powierzchnia wymiany ciepła

g₀ - grubość ścianki

G_m - strumień masowy n-heksanu

G_w - strumień masowy wody

k - naprężenie dopuszczalne na rozrywanie

K - współczynnik wnikania ciepła

Nu - liczba Nusselta

p_ow - ciśnienie obliczeniowe (wewnętrzne)

Pr - liczba Prandtla

Q - ilość ciepła wymieniana

Re - graniczna płynność na rozrywanie

Re - liczba Reynoldsa

s - przyrost korozji

t - temperatura

u_m - prędkość przepływu medium

u_w - prędkość przepływu wody

Xe - współczynnik bezpieczeństwa odniesiony do granicznej płynności

z_dop - współczynnik zakładu spawalnego

t_m - średnia różnica temperatur

 - współczynnik wnikania ciepła

 - lepkość

 - współczynnik przewodzenia ciepła

_w - współczynnik wytrzymałości wyoblenia

ρ_m - gęstość medium

ρ_w - gęstość wody

 - czas

• Zadanie

Zaprojektować wymiennik ciepła płaszczowo-rurowy do chłodzenia toluenu z temperatury kondensacji do temperatury 40°C pod ciśnieniem 1 Mpa. Ilość przepływającego toluenu 8,5t/h.

• Obliczenia

• Bilans cieplny wymiennika.

Dane:

• Określenie średniej prędkości przepływu

1. Obliczenie liczby rurek.

Dane:







Przyjmuje prędkość


Przyjmuje rurki























Przyjmuję liczbę rurek n = 31 w układzie heksagonalnym wg tablicy 8-14 „Ruch ciepła i wymienniki” T.Hobler

2. Średnica zastępcza przestrzeni międzyrurowej

Dane:








- wg Hoblera




3. Średnica obejmująca rury zewnętrzne




Przyjmuję 8mm odstępu rur od ściany płaszcza po każdej stronie




Znormalizowana średnica








• Prędkość przepływu wody

Dane



















• Rzeczywista prędkość przepływu medium.

Dane:


























• Wyznaczanie współczynnika przenikania ciepła K




1. Wyznaczanie liczby Nusselta - Nu




1. Wyznaczanie liczby Reynoldsa - Re




• Dla medium










• Dla wody











2. Wyznaczanie liczby Prandtla - Pr




• Dla medium










• Dla wody










3. Wyznaczanie liczby Nusselta - Nu




• Dla medium







• Dla wody







2. Wyznaczanie współczynnika wnikania ciepła - α




• Dla medium










• Dla wody










3. Wyznaczanie współczynnika przenikania ciepła K




Dane:



















• Powierzchnia wymiany ciepła

Dane:



















1. Logarytmiczna różnica temperatur










2. Powierzchnia wymiany ciepła













Przyjmuję 10% rezerwę powierzchni wymiany ciepła.




• Długość rurek

Dane:





- przekrój średni rurki
















• Dobór materiału

Dobieram stal węglową St3S na płaszcz i rurki wg PN - 60/H - 86020.

• Ciśnienie obliczeniowe

Dane:
















• Grubość ścianki płaszcza

Dane:

Re = 2,3⋅10⁸Pa

Xe = 1,65

α = 0,81/deg

z_dop = 0,8

D_z = 0,15m

p_ow = 1,101325 ^. 10⁶Pa

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:

D_w = 0,15m

p_ow = 1,101325 ^. 10⁶Pa

z = 0,8

k = 1,12⋅10⁸Pa

y_w = 2

c = 0,0018m

g = 0,005m













Przyjmuję znormalizowaną grubość ścianki g_d = 0,005m

• Średnice króćców

1. Średnice króćca dla toluenu

Dane:





































Przyjmuję króciec o średnicy d = 0,065m

2. Średnica króćca dla wody





































• Wzmocnienia dla otworów w wymienniku

Dane:

D_w = 0,15m

D_z = 0,094m

c₂ = 0,001m

g = 0,005m

p_ow = 8,013⋅10⁵Pa

k = 1,12⋅10⁸Pa

a = 1

d_w = 0,012m

Największa średnica otworu nie wymagająca wzmocnienia równa się najmniejszej z trzech poniższych wartości:




z_r - współczynnik wytrzymałościowy powłoki osłabionej otworem



















Wymiennik nie wymaga wzmocnień

• Kompensacja cieplna wymiennika

Dane:

n = 31

d_z = 0,016m

d_w = 0,012m

D_w = 0,15 m

g = 0,005m

E = 2⋅10⁶kg/cm²

β = 0,0000121/deg

t_pm = 110°C

t_km = 40^oC

t_pw = 20^oC

t_kw = 70^oC

1. Przekrój sumaryczny rurek







2. Przekrój płaszcza







E - moduł Younga przyjętego materiału E = 2⋅10⁶kg/cm²

β - współczynnik wydłużenia termicznego β = 0,0000121/deg




3. Temperatura średnia płaszcza




4. Temperatura średnia rurek




5. Naprężenia w rurkach







6. Naprężenia w płaszczu







Naprężenie dopuszczalne dla zastosowanego materiału wynosi σ_dop = 1000kG/cm², kompensacja cieplna wymiennika nie jest konieczna.

2

---