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 475С) 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 dQ_конв, переданное конвекцией от поверхности к окружающей среде (или наоборот), пропорционально поверхности теплообмена dF, разности температур поверхности t_ст и окружающей среды t_f 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;

ρ_ж , λ_ж , µ_ж – соответственно плотность, кг/м3 ; теплопроводность, Вт/м∙К; динамическая вязкость, Па∙с;

t_н , t_с – 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.