- •1 Физическая постановка задачи
- •2 Расчёт теплообменных аппаратов с изменением агрегатного состояния одного из теплоносителей. Математическая модель
- •3 Расчет предварительной поверхности теплообмена и выбор вариантов конструкции теплообменных аппаратов
- •4 Расчет по программе
- •5 Анализ полученных результатов
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФГБОУ ВПО
ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
КАФЕДРА ПРОЦЕССОВ И АППАРАТОВ ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ
Семестровая работа
По дисциплине: «Моделирование технологических процессов в ХТ, НХ и БТ»
На тему: Моделирование работы рекуперативных теплообменных аппаратов
Вариант 11
Выполнил: ст.гр.РХТ-449
Зотов С.П.
Проверил: доц.каф.
Шагарова А.А.
Волгоград 2015
Оглавление
Введение |
3 |
1 Физическая постановка задачи |
5 |
2 Расчёт теплообменных аппаратов с изменением агрегатного состояния одного из теплоносителей .Математическая модель |
8 |
3 Расчет предварительной поверхности теплообмена и выбор вариантов конструкций теплообменного аппарата |
12 |
4 Расчет по программе |
15 |
5 Анализ полученных результатов |
22 |
Список использованных источников |
24 |
Введение
Применяемая в промышленности теплообменная аппаратура разнообразна как по своему функциональному назначению, так и по конструктивному исполнению. В теплообменных аппаратах могут происходить различные тепловые процессы: нагревание, охлаждение, испарение, конденсация, кипение и др.
Химические производства характеризуются большим разнообразием условий проведения тепловых процессов, они различаются по виду теплообмена, давлению, температуре и агрессивности теплоносителей. Всё это обуславливает создание и изготовление различных по конструкции и назначению типов теплообменных аппаратов.
Современные теплообменные аппараты должны обеспечивать необходимый теплосъём на единицу площади теплообменника, высокую пропускную способность по теплоносителям при допустимых перепадах давлений, высокую коррозионную стойкость в агрессивных средах, надёжную работу в течение длительного периода эксплуатации, стабильность тепловых и гидромеханических характеристик за счет механической или химической очистки поверхности теплообмена.
По принципу действия теплообменники делятся на рекуперативные, в которых участвующие в процессе теплообмена среды разделены перегородкой, регенеративные, которые попеременно нагреваются за счет взаимодействия с горячей жидкостью и охлаждаются за счет взаимодействия с холодной жидкостью, и смесительные, где процесс теплообмена протекает при непосредственном контакте горячей и холодной сред. Наиболее широкое применение в настоящее время находят рекуперативные теплообменники. Существенным для теплообменных аппаратов рекуперативного типа является наличие стенки из теплопроводного материала, разделяющей потоки теплоносителей. В зависимости от конструктивного исполнения поверхности теплообмена различают следующие виды рекуператоров:
теплообменные аппараты, изготавливаемые из труб различной формы и 4 диаметров (кожухотрубные, «труба в трубе», змеевиковые погружные, оросительные, витые, воздушного охлаждения с оребренными трубами);
теплообменники, поверхность теплообмена которых изготовлена из листового материала (пластинчатые, спиральные и т.д.).
Все эти типы теплообменных аппаратов могут использоваться в качестве холодильников, подогревателей, конденсаторов и испарителей. Конструктивные особенности теплообменных аппаратов определяют область, в которой они могут быть применены для различных температур и давлений. Наиболее широко применяются трубчатые теплообменные аппараты, работающие в широком диапазоне температур (от минус 200 до плюс 475С) и давлений (до 37 кгс/см2 )
Кожухотрубные теплообменники имеют условные обозначения.
В зависимости от назначения: Т — теплообменники, X — холодильники; К — конденсаторы; И — испарители.
По конструкции: Н — аппараты с неподвижными трубными решетками, К — с температурным компенсатором на кожухе, П — с плавающей головкой, У — с U-образными трубами.
При проектировании поверхностных теплообменных аппаратов их расчет сводится к определению необходимой поверхности теплообмена.
При выборе стандартных конструкций выполняют поверочные тепловые расчеты, целью которых является определение оптимальных размеров теплообменного аппарата и режима его эксплуатации, т.е. они должны сочетать в себе интенсивный теплообмен, низкую стоимость, надежность и удобство эксплуатации.
При расчете теплообменников поверхностного типа в первую очередь следует установить целесообразность направления теплоносителей в то или иное рабочее пространство аппарата, в том или ином направлении. Целесообразность выбора определяется исходя из условия улучшения теплоотдачи теплоносителя с большим термическим сопротивлением.
1 Физическая постановка задачи
При исследовании процесса теплопередачи в теплообменнике с изменением агрегатного состояния одного из теплоносителей целесообразно рассмотреть две ситуации:
течение жидкости в трубах;
конденсация пара в межтрубном пространстве.
Под конвекцией понимают передачу теплоты при движении жидкости или газа. При этом переносе теплоты происходит как бы механически – макрообъемными частицами потока теплоносителя. Конвективный перенос имеет исключительно важное значение в химической технологии, поскольку от того, как осуществляется подвод или отвод теплоты, часто зависит сама возможность проведения химико – технологических процессов (большинство химических процессов, перегонка, сушка и многие другие). В реальных условиях конвекция всегда сопровождается теплопроводностью (а иногда и тепловым излучением). Поэтому конвекция в теплообменных аппаратах существенно осложняется вследствие образования у поверхности стенки пограничного слоя, в котором конвекция затухает. Поэтому под термином конвекция понимают только сам способ переноса теплоты потоками теплоносителя. Этот процесс отличается от реального, более сложного процесса переноса теплоты к стенке, в котором конвекция также принимает участие.
При турбулентном режиме частицы жидкости или газа, быстро двигаясь в поперечном сечении потока, не ударяются непосредственно о стенку, а действуют на пограничный слой и отдают ему свою теплоту. Дальнейшая передача теплоты стенке происходит в основном путем теплопроводности.
При конвективном теплообмене теплота распространяется в потоке жидкости или газа от поверхности твердого тела или к его поверхности одновременно конвекцией и теплопроводностью. От поверхности твердого тела к потоку жидкости она распространяется через тонкий пограничный слой за 6 счет теплопроводности, от пограничного слоя в ядро потока жидкости или газа – в основном конвекцией. На интенсивность теплоотдачи существенное влияние оказывает характер движения потока жидкости или газа.
Основным законом теплоотдачи является закон Ньютона, согласно которому количество теплоты dQконв, переданное конвекцией от поверхности к окружающей среде (или наоборот), пропорционально поверхности теплообмена dF, разности температур поверхности tст и окружающей среды tf и времени d проведения процесса:
(1.1)
Коэффициент пропорциональности []=[] - называется коэффициентом теплоотдачи и показывает, какое количество теплоты передается от теплообменной поверхности 1 м2 в окружающую среду или наоборот в течении 1 с при разности температур теплообменной поверхности и окружающей среды 1 К.
Коэффициент теплоотдачи не является постоянной величиной для рассматриваемой среды и зависит в первую очередь от гидродинамических условий течения жидкости вдоль теплопередающей поверхности (режим движения жидкости); от физических свойств жидкости: плотности, вязкости, удельной теплоемкости и других параметров теплоносителя; затем следуют геометрические характеристики стенки, например длина и диаметр трубы.
Рассмотрим теперь теплообмен при конденсации паров. Основным способом осуществления перехода из паровой фазы в жидкую является конденсация паров на охлаждаемых поверхностях. При этом характер конденсации зависит от угла смачиваемости материала поверхности жидкостью: если образующийся конденсат смачивает поверхность, то он растекается по ней сплошной пленкой (пленочная конденсация). несмачивающий поверхность образует на ней отдельные капли (капельная конденсация). В дальнейшем будем рассматривать пленочную конденсацию. При ламинарном течении пленки конденсата перемешивания нет, то есть конвекция отсутствует, и теплота поперек пленки передается теплопроводностью.
Для определения коэффициента теплоотдачи используется формула Нуссельта для случая конденсации неподвижного пара:
(1.2)
где С – константа, зависящая от расположения труб;
l – характерный линейный размер;
r – теплота парообразования, Дж/кг;
ρж , λж , µж – соответственно плотность, кг/м3 ; теплопроводность, Вт/м∙К; динамическая вязкость, Па∙с;
tн , tс – температуры насыщения и стенки, °С.
Формула Нуссельта дает погрешность в несколько процентов, так как не учитывает зависимость свойств жидкости от температуры и возрастание коэффициента теплоотдачи из-за волнового течения пленки, вызвано трением на границе раздела фаз.
Эксперименты показали, что интенсивность теплоотдачи на вертикальных и горизонтальных трубах была одинакова, что говорит о преобладающем влиянии динамического воздействия пара по сравнению с силами тяжести. Ранее уже шла речь о формуле Нуссельта для теплоотдачи при конденсации неподвижного пара на горизонтальной трубе. На практике приходится иметь дело с конденсацией движущегося пара. При конденсации пара на горизонтальном пучке труб теплоотдача на втором и последующих рядах снижается из-за уменьшения скорости пара, вызванной частичной его конденсацией на предыдущих рядах труб и увеличением толщины пленки за счет стекания конденсата с верхних трубок.