Расчет конденсатора
Подбор нормализованного конденсатора для конденсации пара. Определение тепловой нагрузки, среднего температурного напора и скорости движения воды в трубах. Расчет теплофизических свойств вертикального и горизонтального кожухотрубчатых конденсаторов.
Рубрика | Производство и технологии |
Вид | контрольная работа |
Язык | русский |
Дата добавления | 16.04.2016 |
Размер файла | 183,1 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Самарский государственный технический университет»
Кафедра химической технологии и промышленной экологии
Контрольная работа
по процессам и аппаратам химической технологии
на тему Расчет конденсатора
Выполнил Мефтяхутдинов С.М.
Руководитель Филиппов В.В.
Самара 2014
Задание
Рассчитать и подобрать нормализованный конденсатор для конденсации пара состава:
компонент 1: бензол, 1 = 50 % масс,
компонент 2: толуол, 2= 50 % масс,
Поступающий на конденсацию пар имеет давление Р=160000 Па (0,16 МПа).
Массовый расход пара G1=35000 кг/час.
Температура пара на входе в аппарат равна температуре начала конденсации t1Н
Температура конденсата на выходе равна температуре конца конденсации t1К
Охлаждение производится водой с начальной температурой t2Н= 25 0 С
Температуру воды на выходе из конденсатора t2К принять и объяснить выбор.
Расчет произвести для вертикального и горизонтального кожухотрубчатых конденсаторов.
Выбрать оптимальный вариант.
Выполнить эскиз принятого к установке конденсатора.
Температуру начала конденсации и температуру конца конденсации рассчитали с помощью программы с сайта преподавателя.
Тнач кон =114 0С
Ткон кон=108 0С
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОВОЙ НАГРУЗКИ КОНДЕНСАТОРА Q
В этом разделе нам нужно определить количество теплоты, которое передает конденсирующийся пар воде. Для этого нужно составить тепловой баланс, который для рассматриваемого случая выглядит так
Q = G1r1 = G2c2 (t2к - t2н ),
где G1 - секундный расход пара; r1 - удельная теплота парообразования; G2 - расход охлаждающей воды; c2 - удельная теплоемкость воды; t2н и t2к - начальная и конечная температуры воды.
Удельную теплоту конденсации пара найдем по правилу аддитивности по формуле
r1=rбен1+rтол2
Здесь rбен и rтол - удельные теплоты парообразования бензола и толуола при средней температуре конденсации t1ср =110 0 С , 1 и2 - массовые доли первого и второго компонентов в составе конденсирующегося пара.
Находим удельные теплоты парообразования бензола и толуола при температуре 110 0 С как средние арифметические для температур110 0 С и 120 0С
Теплота конденсации смеси составит r1=371Ч0,5+363Ч0,5=366,5
Тогда тепловая нагрузка на конденсатор будет равна
Q=G1r1= Ч366,5=3563кВт,
где 3600-число секунд в часе.
РАСЧЁТ РАСХОДА ВОДЫ G2, НЕОБХОДИМОГО ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ПРОЦЕССА КОНДЕНСАЦИИ
Из уравнения теплового баланса определим G2
G2===43,
где c2=4,18 - удельная теплоемкость воды при ее средней температуре 35 0С,
t2н=25 0С - начальная температура воды на входе в конденсатор
t2к=45 0С - конечная температура воды на выходе из конденсатора
Для дальнейших расчетов нам понадобится объёмный расход воды V2, который можно найти из известного соотношения
V2===0,43=155,7.
Здесь p2=994 - плотность воды при 35 0С
ОПРЕДЕЛЕНИЕ СРЕДНЕГО ТЕМПЕРАТУРНОГО НАПОРА (СРЕДНЕЙ РАЗНОСТИ ТЕМПЕРАТУР) Dtср
Все теплообменные процессы с точки зрения изменение температуры потоков можно разделить на две группы:
1. Процессы, в которых существенно изменяются температуры обоих теплоносителей. Для расчёта средней разности температур в этом случае необходимо учитывать взаимное направление движения потоков.
2. Процессы, в которых температура хотя бы одного потока остаётся постоянной или меняется незначительно. Для таких процессов взаимное направление движения не оказывает влияния на величину ?tср Сюда относятся процессы конденсации и кипения.
В рассматриваемом примере температура конденсирующегося пара хоть и изменяется от 114 до 108 ?С, однако такое незначительное изменение не повлияет на величину средней разности температур. В этом легко убедиться, выполнив расчёт Dtср для прямотока и противотока
для прямотока
t1н=114 0С t1к=108 0С
t2н=25 0С t2к=45 0С
tб=114-25=89 0С
tм=108-45=63 0С
В этом случае средняя разность температур будет равна
tср.прям===76 0С
где tб и tм - большая и меньшая разности температур на концах аппарата.
Для противотока
t1н=1140С t1к=108 0С
t2н=45 0С t2к=25 0С
tб=114-45=69 0С
tм=108-25=83 0С
tср.прот===76 0С
И так, для конденсаторов средняя разность температур не зависит от способа организации теплообмена.
Для дальнейших расчетов будем считать tср=76 0С
ПРИНЯТИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ Kприн И ПРИБЛИЖЁННАЯ ОЦЕНКА ТРЕБУЕМОЙ ПОВЕРХНОСТИ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ Fприбл
Обобщение опыта эксплуатации большого числа конденсаторов показывает, что коэффициент теплопередачи в них обычно лежит в пределах 300 ч800.примем коэффициент теплопередачи для нашего теплообменника Kприн= 450. Тогда приблизительная требуемая поверхность теплопередачи будет равна
Fприбл==?104м2.
ВЫБОР СТАНДАРТНОГО КОНДЕНСАТОРА И ЕГО ЭСКИЗ
Воспользовавшись таблицей принимаем к установке двухходовой конденсатор со следующими характеристиками:
диаметр кожуха (внутренний) D |
800 |
мм; |
|
диаметр труб трубного пучка dЧд |
25Ч2 мм; |
||
число ходов по трубному пространству z |
2; |
||
длина труб трубного пучка L |
3 м; |
||
площадь поверхности теплопередачи F |
104 |
м2; |
|
общее число труб n |
442 |
шт.; |
|
масса аппарата |
3450 кг. |
Эскиз выбранного аппарата
Этот аппарат можно установить как вертикально, так и горизонтально
РАСЧЁТ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КОНДЕНСАТА
конденсатор пар тепловой скорость
Для дальнейших расчётов нам необходимо найти плотность конденсата p1, динамический коэффициент вязкости (чаще эту величину называют просто вязкостью) м1 и коэффициент теплопроводности л1. Для чистых компонентов Нам необходимы названные свойства при температуре 110 0С. В таблице есть данные при 100 и 120 0С. Для интересующей нас температуры 110 0С найдём значения свойств как среднее арифметическое между значениями свойств при 100 и 120 0С. Результаты сведём в таблицу
Таблица теплофизических свойств бензола и толуола
Плотность, кг/м3 |
100 0С |
120 0С |
110 0С |
|
Бензол, rб |
793 |
769 |
781 |
|
Толуол, rт |
788 |
766 |
777 |
|
Вязкость, мПаЧс |
100 0С |
120 0С |
110 0С |
|
Бензол, mб |
0,261 |
0,219 |
0,240 |
|
Толуол, mт |
0,271 |
0,231 |
0,251 |
|
Теплопроводность, Вт м ґ К |
100 0С |
120 0С |
110 0С |
|
Бензол, lб |
0,126 |
0,121 |
0,124 |
|
Толуол, lт |
0,119 |
0,114 |
0,117 |
Плотность смеси бензола и толуола p1 заданного состава при температуре 110 0С определим по формуле:
P1===833 кг/м3
Где и - массовые доли бензола и толуола в составе дистиллята.
Коэффициент динамической вязкости смеси м1 рассчитаем по формуле:
м1=10( х1 lg мб+х2 lg мт)=10(0,5Ч lg 0,24+0,5Ч0,251)=0,245 мПаЧс=0,000245Па Чс,
где х1 и х2 -мольные доли бензола и толуола в конденсате,
Коэффициент теплопроводности смеси найдем по уравнению:
l1=lб+хтlт=0,5Ч0,124+0,5Ч0,117=0,1205 Вт/(мЧК)
НАХОЖДЕНИЕ ПО ЭМПИРИЧЕСКИМ ФОРМУЛАМ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛООТДАЧИ ОТ КОНДЕНСИРУЮЩЕГОСЯ ПАРА К СТЕНКАХ ТРУБ ТРУБНОГО ПУЧКА ДЛЯ ВЕРТИКАЛЬНОГО aв ерт И ГОРИЗОНТАЛЬНОГО aгориз РАСПОЛОЖЕНИЯ АППАРАТА
Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к пучку горизонтальных труб найдём по формуле
а1,гор = 2,02е Ч л1 Ч =2,02 Ч 0,6 Ч 0,12 Ч =1058
где е - коэффициент, зависящий от числа вертикальных рядов труб горизонтального пучка, принимаем его равным 0,6; G1-массовый расход пара
Для пучка вертикальных труб коэффициент теплопередачи вычислим по формуле
а1,верт=3,78Чл1 Ч=3,78Ч0,12 Ч=706
РАСЧЁТ СКОРОСТИ ДВИЖЕНИЯ ВОДЫ w2 В ТРУБАХ ТРУБНОГО ПУЧКА
Скорость воды в трубах трубного пучка определим из уравнения
G2=V2P2=SтрубW2P2
где G2 -секундный массовый расход воды, требуемый для конденсации пара ;
Р2 =994 - плотность воды при её средней температуре; Sтруб - площадь сечения трубного пространства выбранного к установке конденсатора
Sтруб== Ч=0,077 м2 ,
где z -число ходов по трубному пространству, для выбранного аппарата Z=2 , dвн- внутренний диаметр труб трубного пучка
dвн=d-2д=25-2 Ч2=21 мм=0,021м
с учетом этого скорость воды в трубах пучка будет равна
W2===0,59 м/c
НАХОЖДЕНИЕ КРИТЕРИЯ РЕЙНОЛЬДСА Re2 ДЛЯ ВОДЫ
На эффективность теплоотдачи от стенки трубы к воде очень большое влияние оказывает турбулентность потока, которую можно оценить по значению критерия Рейнольдса. Его численное значение найдём по формуле
Re2===16870
где Р2=994 кг/м3 -плотность воды , а м2=0,00073 Па Чс -вязкость воды при её средней температуре 350С
РАСЧЁТ КРИТЕРИЯ НУССЕЛЬТА ДЛЯ ВОДЫ Nu2 И ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛООТДАЧИ a2 ОТ ТРУБ ТРУБНОГО ПУЧКА К ВОДЕ
Значение критерия Нуссельта для турбулентного движения внутри труб определим по уравнению
Nu2 = 0.021Re02.8 Pr20.43 = 0,021ґ168700,8 ґ 4,880,43 = 100 ,
где Pr2 = 4.88 - критерий Прандтля для воды при 35 0С одинаков для всех вариантов. Тогда значение коэффициента теплоотдачи от стенки к воде будет иметь значение
а2===2980,
где л2=0,626-коэффициент теплопроводности воды д
РАСЧЕТ ВЕРТИКАЛЬНОГО И ГОРИЗОНТАЛЬНОГО АППАРАТОВ
Расчёт коэффициентов теплопередачи выполним по формуле
К0=
где дст- толщина стенки трубы; лст=46,5 -коэффициент теплопроводности стали. В установке аппарат из обычной стали , т.к. легированная сталь на много дороже. Для вертикального конденсатора коэффициент теплопередачи имеет значение
К0,вер==557
для горизонтального конденсатора
К0,гор==755
Из сравнения полученных результатов уже видно, что горизонтальная установка конденсатора обеспечивает большее значение коэффициента теплопередачи. Но при этом надо иметь ввиду, что горизонтально установленный аппарат занимает значительно больше места по сравнению с вертикальным.
ПРИНЯТИЕ НА ОСНОВЕ ОПЫТА ЭКСПЛУАТАЦИИ ТЕПЛООБМЕННИКОВ ТЕРМИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЙ СО СТОРОНЫ ПАРА r1 И СО СТОРОНЫ ВОДЫ r2
В процессе эксплуатации теплообменника с обеих сторон стенки трубы будут появляться загрязнения, которые постепенно ухудшат работу аппарата. Особенно это касается оборотной воды, которая в заводских условиях насыщена кислородом, имеет повышенную концентрацию солей жёсткости, содержит биокомпоненты. На основе опыта эксплуатации теплообменного оборудования примем величину термического сопротивления со стороны ограниченной жидкости r1=5800 ,а со стороны воды r2=1600
НАХОЖДЕНИЕ РАСЧЁТНОГО КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ К р С УЧЁТОМ ЗАГРЯЗНЕНИЙ ДЛЯ ВЕРТИКАЛЬНОГО И ГОРИЗОНТАЛЬНОГО АППАРАТОВ
При наличии загрязнений коэффициент теплопередачи заметно снизится. Найдём его величину по формуле
К р=.
Для вертикального конденсатора получаем значение
К р,вер==386
При горизонтальной установке теплообменника
К р,гор==471
Таким образом, уменьшение эффективности передачи теплоты при появлении загрязнений составит для вертикального конденсатора 29 %, а для горизонтального 38 %. Отсюда можно сделать вывод, что по прошествии определённого времени преимущество горизонтального теплообменника практически исчезнет, и он по эффективности приблизится к вертикальному.
РАСЧЁТ ТРЕБУЕМОЙ ПОВЕРХНОСТИ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ Fфакт И ЗАПАСА ПЛОЩАДИ ПОВЕРХНОСТИ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ D (%) ДЛЯ КОНДЕНСАТОРОВ
Требуемую поверхность теплопередачи для вертикального и горизонтального конденсаторов определим по используемой ранее формуле
Fфакт=.
Если аппарат устанавливать вертикально, то требуется поверхность теплопередачи
Fфакт,вер===84 м2
Мы выбрали к установке теплообменник с площадью теплопередачи 104 м2, а при вертикальной установке такого аппарата требуется площадь 84 м2. Подсчитаем теперь запас площади теплопередачи. В практике технологических расчётов допустимый запас площади теплопередачи должен находиться в пределах 10-30 %.
Если принять площадь выбранного к установке конденсатора за 100%, то запас по площади теплопередачи при вертикальной установке составит
верт=Ч100 = 23%
Если же выбранный аппарат установить горизонтально, то требуемая поверхность будет равна
Fфакт,гор===62м2
Запас площади теплопередачи в этом случае составит (если опять принять за 100% площадь выбранного теплообменника)
гор=Ч100 = 44%
Такой запас укладывается в нормы технологического проектирования.
Принятый в установке конденсатор может быть установлен как вертикально, так и горизонтально, так как запас поверхности теплопередачи в вертикальном случае 23 %, а в горизонтальном 44 %
РАСЧЁТ ДИАМЕТРОВ ШТУЦЕРОВ ВХОДА ПАРА, ВЫХОДА КОНДЕНСАТА, ВХОДА И ВЫХОДА ВОДЫ
Диаметр штуцера зависит от объёмного расхода потока V и скорости этого потока w. Диаметров штуцеров А, Б. В и Г найдём из уравнения расхода, которое для трубы имеет вид
V=wдоп,
dшт=.
Допустимые скорости потока в трубе принимаются на основе практических рекомендаций.
Для трубопроводов, по которым жидкость перекачивается насосом (напорные трубопроводы), допустимая скорость лежит в пределах 0,5 ч 2,5 м/с. В нашем аппарате это штуцера А и Б для входа и выхода воды. Принимаем скорость в них 1,5 м/с.
Для трубопроводов, по которым движется пар, рекомендуется скорость 15 ч 40 м/с. В нашем конденсаторе это штуцер В. Примем скорость пара в нём 20 м/с. При движении жидкости самотёком (самотёчные трубопроводы) рекомендуются скорости в диапазоне 0,1 ч 0,5 м/с. Это штуцер Г для вывода конденсата. Примем скорость жидкости в нём 0,2 м/с.
ГОСТ устанавливает следующие диаметры штуцеров: 20; 25; 32; 40; 50; 65; 80; 100; 125; 150; 200; 250; 300; 350; 400 и 500 мм.
Для определения объёмного расхода поступающего на конденсацию пара необходимо знать его плотность при заданном давлении 140000 МПа и температуре входа равной 112 0С. Расчёт плотности выполняется по формуле
P=ЧЧ.
где М см - молярная масса смеси, Р - рабочее давление, Р0 - нормальное давление, Т - рабочая температура, Т0 - нормальная температура.
Мольную массу смеси определим по правилу аддитивности
Мсм=МбензУ1+МтолУ2=78Ч0,5+92Ч0,5=85,
где Мбенз и М тол - мольные массы бензола и толуола, у1 и у2 - мольные доли бензола и толуола в составе поступающего на конденсацию пара
С учётом этого плотность заходящего в аппарат пара будет равна
Pn=ЧЧ=4,24
Тогда объёмный расход пара составит
Vn===2,29
Объёмный расход конденсата определим по формуле
V1,конд===0,012
где P1=833- плотность конденсата при его средней температуре
Теперь можно приступать к расчету диаметра штуцеров.
Штуцера А и Б для ввода и вывода воды (при её объёмном расходе 0,043 м3/c.)
dА,Б==0,191мм
По ГОСТу принимаем штуцер с условным диаметром 200 мм.
Штуцер В для ввода конденсирующегося пара
dВ==381мм
По ГОСТу принимаем штуцер с условным диаметром 400 мм. Скорость пара при этом незначительно увеличится, оставаясь в рекомендованном диапазоне 15 ч 40 м/с.
Штуцер Г для вывода конденсата
dГ==276мм
По ГОСТу принимаем штуцер с условным диаметром 300 мм.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Определение мольной доли компонентов в составе пара; температуры начала и конца конденсации пара; тепловой нагрузки конденсатора; расхода воды; температурного напора; теплофизических свойств конденсата, коэффициента теплопередачи и других показателей.
контрольная работа [111,2 K], добавлен 23.07.2010Проектирование холодильника-конденсатора для конденсации водяного пара. Определение тепловой нагрузки аппарата, количества тепла при конденсации насыщеных паров, расхода охлаждающей воды, максимальной поверхности конденсации. Механический расчет деталей.
курсовая работа [287,2 K], добавлен 14.07.2011Методы экспериментального исследования теплообмена при конденсации, теплопередача в каналах пластинчатого конденсатора. Расчет площади поверхности теплопередачи и количества пластин пластинчатого конденсатора. Гомогенная структура двухфазного потока.
дипломная работа [3,5 M], добавлен 07.11.2011Методика теплового расчета подогревателя. Определение температурного напора и тепловой нагрузки. Расчет греющего пара, коэффициента наполнения трубного пучка, скоростных и тепловых показателей, гидравлического сопротивления. Прочностной расчет деталей.
курсовая работа [64,6 K], добавлен 05.04.2010Характеристика и классификация теплообменных аппаратов. Проект горизонтального кожухотрубчатого теплообменника для конденсации перегретого пара; тепловой, гидравлический и механический расчеты; определение толщины тепловой изоляции; техника безопасности.
курсовая работа [176,2 K], добавлен 13.08.2011Проект горизонтального кожухотрубчатого теплообменника для конденсации и охлаждения паров уксусной кислоты. Технологический расчет коэффициента теплопередачи, конденсатора, определение площади поверхности теплообмена. Подбор шестиходового теплообменника.
курсовая работа [1,3 M], добавлен 18.09.2014График температурного испарения хладагента. Расчет удельной тепловой нагрузки испарителя и конденсатора. Энергетический баланс установки. Определение мощности, потребляемой компрессором. Расчет температуры получаемого холода и КПД холодильной установки.
контрольная работа [591,4 K], добавлен 12.06.2013Определение скорости пара и расчет диаметра ректификационной колонны. Построение кривых изобар пара и жидкости, зависимости диаграммы насыщенных паров от температуры, построение изобары. Расчет конденсатора-холодильника, диаметра штуцеров и кипятильника.
курсовая работа [150,6 K], добавлен 25.09.2015Расчет внутреннего КПД турбины и ее основных частей. Материальный баланс установки. Расчет внутренней электрической мощности, тепла турбоустановки на выработку электроэнергии, температурного напора конденсатора турбин ПТ-12-35-10М и Р-27-90/1,2.
дипломная работа [1,3 M], добавлен 15.06.2012Классификация теплообменных аппаратов. Расчёт гидравлического сопротивления теплообменника. Расчет холодильника первой ступени. Вычисление средней разности температур теплоносителей. Расчет конденсатора паров толуола и поверхности теплопередачи.
курсовая работа [688,1 K], добавлен 17.11.2009