Расчет теплообменника труба в трубе excel

Теплообменник «труба в трубе»

Опубликовано 28 Фев 2016
Рубрика: Теплотехника | 67 комментариев

(Статья дополнена P. S. (20.10.2019).)

Для нагрева холодной воды (разумеется, без смешивания) от системы отопления используются теплообменные аппараты — рекуператоры, в которых две среды движутся в своих полостях, разделенные металлической стенкой. …

…Горячая вода системы отопления, остывая, через стенку нагревает холодную воду в системе горячего водоснабжения.

Из рекуператоров наибольшее распространение получили пластинчатые и кожухотрубчатые теплообменники, которые широко используются не только в коммунальном хозяйстве, но и в первую очередь в различных отраслях промышленности и энергетики. При этом в качестве греющих и нагреваемых сред могут быть самые разнообразные жидкости и газы.

Пластинчатые теплообменники компактнее и эффективнее «древних советских» кожухотрубчатых рекуператоров, однако, последние более просты в изготовлении и в несколько раз дешевле. А некоторые современные образцы отечественных кожухотрубных теплообменников обыгрывают в разы по всем статьям западные пластинчатые аналоги (rosteplo.ru/Tech_stat/stat_shablon.php?id=341).

Теплообменник «труба в трубе» – это простейший вариант кожухотрубного аппарата.

В этой статье представлен алгоритм и теплотехнический расчет в Excel водо-водяного теплообменника типа «труба в трубе». Если греющая и нагреваемая среды — не вода, то некоторые исходные данные и формулы, использованные в программе, требуется существенно изменить!

Водо-водяной теплообменник «труба в трубе». Расчет в Excel.

На рисунке, представленном ниже, внутренняя труба является теплообменной, а наружная – кожуховой. Греющая вода движется слева направо и остывает, отдавая тепло через стенку внутренней трубы нагреваемой воде. Нагреваемая вода движется справа налево и нагревается.

Снаружи аппарат теплоизолирован. В расчете далее условно принято, что теплоизоляция обеспечивает абсолютное отсутствие теплообмена между наружной трубой и окружающей средой.

Если наружная труба не изолируется, то в расчете необходимо учесть потери тепла окружающему пространству. Как это сделать, можно посмотреть здесь.

Изображенная на рисунке схема движения жидкостей называется противотоком – нагреваемая вода движется навстречу греющей. Прямотоком, соответственно, будет движение потоков в одном направлении.

Из скриншота программы очевидно, что пользователю нужно заполнить светло-бирюзовые и бледно-зеленые ячейки исходными данными и в светло-желтых ячейках считать результаты вычислений.

Расчет в Excel теплообменника «труба в трубе» выполняется по нижеприведенному алгоритму.

i=1 – для греющей воды и внутренней стенки теплообменной трубы

i=2 – для нагреваемой воды и внешней стенки теплообменной трубы

x=1 – при прямотоке

x=2 – при противотоке

9. Средняя температура воды

t_i=(t_iвх+t_iвых)/2

10. Средняя температура поверхностей стенки внутренней теплообменной трубы в первом приближении

t_ст1=t_ст2=(t₁+t₂)/2

11. Передаваемая тепловая мощность

N=G₂*C_p*(t_2вых—t_2вх)

8. Температура греющей воды на выходе

t_1вых=t_1вх—N/(G₁*C_p)

12. Средняя плотность воды

ρ_i=-0,003*t_i²-0,1511*t_i+1003,1

13. Среднее значение коэффициента кинематической вязкости воды

ν_i=0,0178/(1+0,0337*t_i+0,000221*t_i²)/10000

14. Среднее значение коэффициента теплопроводности воды

λ_i=0,581+0,0012*t_i

15. Среднее значение критерия Прандтля для воды

Pr_i=7,5-0,0694*t_i

16. Скорость движения воды во внутренней трубе и в кольцевом пространстве наружной трубы

v₁=G₁/(π*d₁²/4)/ρ₁

v₂=G₂/(π*(d₂²—D₁²)/4)/ρ₂

Желательно чтобы скорость движения воды находилась в диапазоне 0,25…2,5 м/с. Большие значения из диапазона предпочтительнее с точки зрения увеличения турбулентности потока и, следовательно, коэффициента теплоотдачи, но не предпочтительны с точки зрения увеличения гидравлического сопротивления системы, требующего насосы повышенных мощностей.

17. Число Рейнольдса для греющего и нагреваемого потоков

Re₁=v₁*d₁/ν₁

Re₂=v₂*(d₂— D₁)/ν₂

Режим течения воды по трубам должен быть турбулентным, т.е. Re>2300 (еще лучше, если Re>10000).

18. Среднее значение критерия Прандтля для внутренней и внешней поверхностей стенки теплообменной внутренней трубы

Pr_стi=7,5-0,0694*t_стi

19. Критерий Нуссельта со стороны греющей и со стороны нагреваемой воды

Nu₁=0,021*Re₁^0,8*Pr₁^0,43*(Pr₁/Pr_ст1)^0,25

Nu₂=0,017*Re₂^0,8*Pr₂^0,4*(Pr₂/Pr_ст2)^0,25*(d₂/D₁)^0,18

20. Коэффициент теплоотдачи от греющей воды стенке и от стенки нагреваемой воде

α₁=Nu₁*λ₁/d₁

α₂=Nu₂*λ₂/(d₂—D₁)

21. Коэффициент теплопередачи

K=1/(1/α₁+((D1— d1)/2)/λ_ст-1/α₂)

22. Максимальный температурный напор

Если x=1 (прямоток), то

Δt_max=t_1вх— t_2вх

Если x=2 (противоток) и t_1вх— t_2вых>t_1вых— t_2вх, то

Δt_max=t_1вх— t_2вых

Если x=2 (противоток) и t_1вх— t_2вых<t_1вых— t_2вх, то

Δt_max=t_1вых— t_2вх

23. Минимальный температурный напор

Если x=1 (прямоток), то

Δt_min=t_1вых— t_2вых

Если x=2 (противоток) и t_1вх— t_2вых<t_1вых— t_2вх, то

Δt_min=t_1вх— t_2вых

Если x=2 (противоток) и t_1вх— t_2вых>t_1вых— t_2вх, то

Δt_min=t_1вых— t_2вх

24. Среднелогарифмический температурный напор

Δt_ср=(Δt_max— Δt_min)/ln(Δt_max/Δt_min)

25. Плотность теплового потока

q=K*Δt_ср

10*. Теперь следует вернуться к пункту 10 и вычислить средние температуры поверхностей стенки внутренней теплообменной трубы во втором приближении по новым формулам

t_ст1=t₁—q/α₁

t_ст2=t₂+q/α₂

!!! С новыми значениями температур поверхностей стенки нужно заново выполнить расчеты по пунктам 18-21 и 25 и опять пересчитать значения t_ст1 и t_ст2 в третьем приближении…

В представленной программе расчет в Excel выполняется 6 раз. Для точности необходимой на практике обычно бывает достаточно выполнить 2 или 3 приближения.

26. Площадь поверхности нагрева

F=N/q

27. Расчетная длина нагревателя

L=F/(π*d₁)

28. Диаметры присоединительных патрубков

d_пi=(3600*Gi/(π*v_max*ρ_i))^0,5/30

В расчете максимальная скорость воды v_max принята равной 1,8 м/c. При необходимости можно ее увеличить до 2,5 м/с или принять равной скорости движения воды по теплообменнику.

На этом теплотехнический расчет в Excel теплообменника «труба в трубе» можно считать завершенным. Гидравлический расчет поможет выполнить эта статья на блоге.

Отложения, образующиеся в процессе эксплуатации на поверхностях стенки внутренней теплообменной трубы, существенно влияют на коэффициент теплопередачи и могут со временем в 1,5-2 раза снизить эффективность работы любого теплообменника. Рассмотренный расчет в Excel это не учитывает.

Заключение.

Посмотрите небольшое видео о работе в представленной программе, которое поможет быстрее понять логику алгоритма и некоторых штатных приемов работы в Excel.

Теперь, считая теплообменник «труба в трубе», вы, уважаемые читатели, избавлены от рутинных ручных расчетов, и у вас будет больше времени на техническое творчество.

Ссылка на скачивание файла: teploobmennik-truba-v-trube (xls 111KB)

P. S. (20.10.2019)

Решил попробовать повысить точность вычислений и занялся переработкой алгоритма. В итоге в новый вариант программы внесены следующие изменения:

1. В исходных данных добавился еще один параметр – давление воды (P_i). Хотя существенного влияния на теплофизические параметры воды давление не оказывает, но всё же…

2. Средняя температура воды в трубах (t_i) вычисляется по уточненному алгоритму. Для потока, в котором температура воды изменяется меньше, она определяется как среднеарифметическая: t_i=(t_iвх+t_iвых)/2. Для потока, в котором температура от входа до выхода изменяется больше, средняя температура определяется как сумма или разность среднеарифметической температуры другого потока и среднелогарифмического напора: t_j=t_i±Δt_ср.

3. Теплофизические параметры воды – плотность (ρ_i), коэффициент кинематической вязкости (ν_i), коэффициент теплопроводности (λ_i), критерий Прандтля (Pr_i), изменяющиеся от температуры и давления, теперь определяются с помощью пользовательских функций Полковова Вячеслава Леонидовича с более высокой точностью.

4. Попытался расширить диапазон применения программы. К турбулентному режиму (Re>10000) добавил переходный режим течения (2300<Re<10000). При этом столкнулся с отсутствием относительно точных формул для этого режима течения жидкости по трубам.

Важнейший критерий Нуссельта (Nu), необходимый для определения коэффициента теплоотдачи (α), вычисляется по нижеприведенным формулам, которые были выбраны после долгого и тщательного анализа существующих критериальных зависимостей, предложенных Михеевым М.А., Исаченко В.П., Кутателадзе С.С., Петуховым Б.С., В. Гниелински. Так как в расчетах никак не учитывается шероховатость поверхностей труб и степень их загрязненности, то предпочтение было отдано выражениям, которые выдают при прочих равных меньшие значения критерия Нуссельта.

Для потока воды в круглом сечении внутренней трубы:

• При 2300<Re<10000:

Nu₁=K₀₁*Pr₁^0,43*(Pr₁/Pr_ст1)^0,25

где:

К₀₁=-0,002*(Re₁/1000)⁴+0,0633*(Re₁/1000)³-0,854*(Re₁/1000)²+8,7529*(Re₁/1000) -12,639

• При Re>10000:

Nu₁=0,021*Re₁^0,8*Pr₁^0,43*(Pr₁/Pr_ст1)^0,25

Для потока воды в кольцевом сечении межтрубного пространства:

• При 2300<Re<10000:

Nu₂=K₀₂*Nu»₂+(1- K₀₂)*Nu’₂

где:

К₀₂=(Re₂-2300)/(10000-2300)

Nu’₂=4*(Pr₂/Pr_ст2)^0,25  /при Re=2300/

Nu»₂=0,017*10000^0,8*Pr₂^0,4*(Pr₂/Pr_ст2)^0,25*(d₂/D₁)^0,18  /при Re=10000/

• При Re>10000:

Nu₂=0,017*Re₂^0,8*Pr₂^0,4*(Pr₂/Pr_ст2)^0,25*(d₂/D₁)^0,18

Определяющим размером для кругового сечения является диаметр d₁, для кольцевого сечения – эквивалентный диаметр d_экв=d₂—D₁. Определяющая температура – средняя температура потока t_i.

5. Расчет теплопередачи выполнен по формулам для цилиндрической стенки без упрощений, примененных ранее, где использовались зависимости для плоской стенки.

Линейный коэффициент теплопередачи (K_L) вычисляется по формуле:

K_L=1/(1/(α₁*d₁)+1/(2*λ_ст)*LN (D₁/d₁)+1/(α₂*D₁))

Линейная плотность теплового потока (q_L):

q_L=K_L*Δt_ср*π

6. Расчетная длина нагревателя (L):

L=N/q_L

Температуры поверхностей стенок (t_стi), как и ранее, определяются  шестью итерациями, чего более чем достаточно для обеспечения абсолютной точности вычислений.

Четыре важных замечания:

1. При проектировании теплообменников переходного режима течения жидкостей следует, все-таки, стремиться избегать по причине низкого значения коэффициента теплоотдачи (α_i) и значительной погрешности существующих методик расчетов.

2. По данным открытых источников расхождение результатов экспериментов и расчетов по примененным в новой версии программы формулам находится в весьма широких пределах ±20%.

3. На скриншотах в основной статье и в P. S. показаны примеры расчетов с одинаковыми исходными данными. Расчетная длина нагревателя, полученная по старой программе, на 25% меньше, чем по обновленной версии! Это обусловлено в первую очередь тем, что для потока в кольцевом сечении при переходном режиме была не совсем правомерно применена формула для турбулентного течения.

4. Программа тестировалась на примере задачи 12-2 из Задачника по теплопередаче (Краснощеков Е.А., Сукомел А.С., 1980, стр. 219-222). Расхождение результатов — расчетных длин — 1,2%. При этом в Задачнике расчет выполнен по упрощенным формулам и без итераций.

Ссылка на скачивание файла с обновленной программой:

teploobmennik-truba-v-trube-2(xls 156KB)

Другие статьи автора блога

На главную

Статьи с близкой тематикой

Отзывы

Предложите, как улучшить StudyLib

(Для жалоб на нарушения авторских прав, используйте

другую форму
)

11

Корепанов Е.В. Практические занятия
ТМО. Расчет теплообменника «труба в
трубе»

Выполнить
конструктивный расчет противоточного
водо-водяного теплообменника типа
«труба в трубе» тепловой мощностью Q.
Начальная температура греющего
теплоносителя
,
начальная температура нагреваемого
теплоносителя
,
конечная температура нагреваемого
теплоносителя
.
Коэффициент теплопроводности металла
трубы принимать =70
Вт/(мК).

Таблица 1. Исходные
данные

№ варианта	Q, кВт	, °С	, °С	, °С
	50	150	5	65
	75	150	10	65
	100	150	15	65
	125	150	5	65
	150	150	10	65
	175	150	15	65
	200	130	5	60
	225	130	10	60
	250	130	15	60
	300	130	5	60
	325	130	10	60
	350	130	15	60

Рекомендации к
расчету теплообменника «Труба в трубе»

Геометрические
размеры теплообменника приведены на
рис. 1, а график изменения температуры
теплоносителей при противоточной схеме
на рис. 2.

Рис. 1. Теплообменник типа «Труба в трубе»	Рис. 2. Противоточная схема

По внутренней
трубе течет нагреваемый теплоноситель
с расходом G₂,
по кольцевому каналу – греющий
теплоноситель с расходом G₁.

Коэффициент
теплоотдачи на внешней поверхности
внутренней трубы (в кольцевом канале)
определяется по уравнению

,
Вт/м²°С.
(1)

Коэффициент
теплоотдачи во внутренней трубе
определяется по уравнению

,
Вт/м²°С.
(2)

Физические
характеристики для воды:

кинематическая
вязкость –

,
м²/с;
(3)

число Прандтля –

;
(4)

теплопроводность
–

,
Вт/м°С.
(5)

Температура воды,
входящая в уравнения (3)-(5) определяется
как средняя. Для нагреваемого теплоносителя

.
(6)

Для греющего
теплоносителя

.
(7)

Для расчета
теплообменника используются уравнения:

— теплового баланса

;
(8)

— уравнение
теплопередачи

.
(9)

Здесь:
с – теплоемкость
воды; F,
м²
– площадь теплообменной поверхности;
k,
Вт/(м²К)
– коэффициент теплопередачи;

– среднелогарифмический температурный
напор.

Коэффициент
теплопередачи вычисляется по формуле

,
(10)

где: =0,95
– коэффициент, учитывающий теплопотери
в окружающую среду (КПД теплообменника);
,
м – толщина внутренней трубы; ,
Вт/(мК)
– коэффициент теплопроводности металла
трубы.

Среднелогарифмический
температурный напор вычисляется по
формуле

,
(11)

где:

– начальный температурный напор;

– конечный температурный напор (рис.
2).

Площадь теплообменной
поверхности трубы длиной l
равна

.
(12)

Расход греющего
теплоносителя

,
(13)

нагреваемого

,
(14)

где 
– плотность теплоносителя (в расчетах
принимать 1000 кг/м³).

Площадь живого
сечения внутренней трубы

.
(15)

Площадь живого
сечения кольцевого канала

.
(16)

При расчете
принимать:

• скорость
  теплоносителей – 1…3 м/с;

• плотность
  теплоносителей – 1000 кг/м³;

• теплоемкость воды
  – 4186, КДж/(кгК);

• температурный
  напор
  или
  –
  20…30 С.

Таблица 2. Трубы стальные электросварные
прямошовные ГОСТ 10704-91

dн	10	12	14	16	18	20	22	24	26	28	30	32	36	38	40	45
	1,2	1,2	1,6	1,6	2	2	2	2	2	2	2,5	2,5	2,5	2,5	2,5	2,5
dн	48	51	54	57	60	63,5	70	76	89	95	102	108	114	133	159	194
	2,8	2,8	2,8	3	3	3	3,5	3,5	3,5	3,5	4	4	4	4	4,5	4,5

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

Страницы 1 2 Далее

Чтобы отправить ответ, вы должны войти или зарегистрироваться

RSS

Сообщения с 1 по 25 из 29

Страницы 1 2 Далее

Чтобы отправить ответ, вы должны войти или зарегистрироваться

Тепловые расчеты

Назначение программы

Процессы теплообмена находят широкое применение в химической, нефтеперерабатывающей, энергетической, металлургической и пищевой промышленности. В химической промышленности на долю теплообменного оборудования приходится 15-18%, а в нефтеперерабатывающей – до 50% от всего оборудования.
Тепловые процессы используются в промышленности для нагревания холодных теплоносителей, для, охлаждения нагретых сред для проведения процессов испарения, конденсации, выпаривания, плавления, кристаллизации и др. Основным видом расчета при проектировании теплообменной аппаратуры является тепловой расчет, позволяющий определить требуемую поверхность теплообмена.

Программа Heat Exchangers Design (HeatExchange) предназначена для проведения ряда тепловых расчетов следующих видов теплообменников:

1. теплообменника «труба-в-трубе» (агрегатное состояние продукта и теплоносителя не меняется);
2. кожухотрубчатого теплообменника (агрегатное состояние, как продукта, так и теплоносителя может изменяться);
3. пластинчатого теплообменника (агрегатное состояние продукта и теплоносителя не меняется);
4. внутреннего концентрического змеевика емкостного аппарата (агрегатное состояние продукта в аппарате не меняется, в змеевике возможна конденсация паров теплоносителя);
5. рубашек емкостного аппарата, выполненных из труб, полутруб, уголка или швеллера (агрегатное состояние продукта в аппарате не меняется, в рубашке возможна конденсация паров теплоносителя).

Для решения задач определения необходимых параметров вышеперечисленных теплообменников требуется задать ряд исходных и справочных данных.

В состав программного комплекса также входит справочник теплофизических свойств веществ, содержащий зависимости характеристик используемых рабочих сред и теплоносителей от температуры: плотность, динамическая вязкость, удельная теплоемкость, коэффициент теплопроводности, коэффициент объемного расширения, коэффициент поверхностного натяжения, удельная теплота парообразования, а также коэффициенты теплопроводности материалов стенок и изоляционных материалов.

При выборе вещества из справочника все его известные теплофизические свойства задаются автоматически. Также допускается их ввод пользователем системы.

Требования к конфигурации компьютера.

Для функционирования программы необходим персональный компьютер IBM PC, работающий под управлением операционной системы семейства Microsoft Windows, версии не ниже Windows 98 с установленным пакетом Microsoft .NET Framework 2.0 или более поздней версии. Желательно наличие Microsoft Word 2003 или более поздней версии для сохранения результатов расчета программы в соответствующем формате (*.doc, *.rtf и т.п.) и вывода на печать.

Демонстрационную версию программы Вы можете получить здесь.

Расчёты в Excel

Построение температурного графика для системы отопления	temper.grafik.xls	26 кБ	Скачать
Построение графика требуемой температуры воды на общем выходе котлов	hydraulische_Weiche_график.xls	94 кБ	Скачать

Расчёт объёма мембранного расширительного бака для воды	MRB_raschyot.xls	28 кБ	Скачать

Расчёт Kv последовательного соединения (до пяти составляющих)	Kv_chain.xls	25 кБ	Скачать

Расчёт координат рабочей точки насоса по его характеристике и Kv контура	raschyot_nasos_-_Kv.xls	33 кБ	Скачать
Расчёт потерь напора по длине	hydr_raschyot.xls	22 кБ	Скачать
Расчёт максимального давления воды на входе клапана при отсутствии кавитации в нём	raschyot_max_vhod_davleniya_klapana.xls	15 кБ	Скачать
Расчёт диаметра отверстия дроссельной диафрагмы	diametra_diafr_raschyot.xls	19 кБ	Скачать
Расчёты дроссельных диафрагм для наладки теплосети (Excel)	naladchiku_teploseti.zip	439 кБ	Скачать
И.М. Сапрыкин. Выбор и расчёт режимов элеватора	elevatora_raschyot.xls	25 кБ	Скачать

Расчёты после наладки режимов горения водогрейного котла с двухступенчатой газовой горелкой	tiptop_4_(q5ф_-_по расходу газа).xls	600 кБ	Скачать

Расчёт длины рычага газовой заслонки для четвертьоборотного МЭО	raschyot_gas_zaslonki.xls	22 кБ	Скачать

the Peace of «I»,

Вячеслав Штренёв

Теплообменник ‘труба в трубе’

Содержание

Введение

1. Технологическая часть

1.1 Краткая характеристика оборудования, устройство оборудования

1.2 Назначения и краткая характеристика процесса

1.3 Описание схемы процесса

2. Расчетная часть

2.1 Материальный и тепловой расчет теплообменника «труба в
трубе».

2.2 Гидравлический расчет

3. Техника безопасности и охрана окружающей среды

3.1 Техника безопасности при работе с теплообменником «труба в
трубе»

3.2 Охрана окружающей среды и экологии

Список использованных источников

Введение

Новый Казахстан с первого дня приобретения независимости все
увереннее движется, вперед выбирая свой путь развития и добиваясь с каждым
годом все большего признания и авторитета в мировом сообществе.

Обеспечив прочный фундамент экономики и своей
государственности, Казахстан уверенно вступает в принципиально новый этап.

Именно с этого периода Казахстан начал последовательно
продвигается вперед, осваивая одну за другой теоремы рыночной экономики и
аксиомы демократического развития.

За этот период Казахстан утвердился как полноправный и
ответственный член международного сообщества, выполняющий важные функции по
обеспечению геополитических стабильности и международной безопасности в
регионе. За этот период Казахстан утвердился как полноправный и ответственный
член международного сообщества, выполняющий важные функции по обеспечению
геополитических стабильности и международной безопасности в регионе.

Цель, обозначенная Президентом Казахстана Нурсултаном
Назарбаевым в декабрьском Послании народу Казахстана, связана с мировыми
трендами. Как сообщил Глава государства, перечисляя десять глобальных вызовов
ХХI века, «все развитые страны увеличивают инвестиции в альтернативные и
«зелёные» энергетические технологии. Уже к 2050 году их применение
позволит генерировать до 50 процентов всей потребляемой энергии.

«Оставаясь крупным игроком на рынке углеводородного
сырья, мы должны развивать производство альтернативных видов энергии, активно
внедрять технологии, использующие энергию солнца и ветра. Все возможности для
этого у нас есть. К 2050 году в стране на альтернативные и возобновляемые виды
энергии должно приходиться не менее половины всего совокупного
энергопотребления», — заявил Елбасы в Стратегии «Казахстан — 2050:
новый политический курс состоявшегося государства».

«Очевидно, что постепенно подходит к своему концу эпоха
углеводородной экономики. Наступает новая эра, в которой человеческая
жизнедеятельность будет основываться не только и не столько на нефти и газе,
сколько на возобновляемых источниках энергии. Казахстан является одним из
ключевых элементов глобальной энергетической безопасности. Наша страна,
обладающая крупными запасами нефти и газа мирово уровня, ни на шаг не будет
отступать от своей политики надёжного стратегического партнёрства и
взаимовыгодного международного сотрудничества в энергетической сфере», —
подчеркнул он.

Он обратил внимание на то, что шестым вызовом планетарного
масштаба является исчерпаемость природных ресурсов. «В условиях
ограниченности, исчерпаемости природных ресурсов Земли беспрецедентный в истории
человечества рост потребления будет подогревать разнонаправленные как
негативные, так и позитивные процессы. Наша страна обладает здесь рядом
преимуществ. Всевышний дал нам много природных богатств. Другим странам и
народам будут нужны наши ресурсы. Нам принципиально важно переосмыслить наше
отношение к своим природным богатствам. Мы должны научиться правильно ими
управлять, накапливая доходы от их продажи в казне, и самое главное —
максимально эффективно трансформировать природные богатства нашей страны в
устойчивый экономический рост», — определил курс страны в вопросах
природоохранной деятельности Президент Казахстана. Внедрение новых эффективных
технологических процессов обычно связано с применением более совершенного
оборудования, которое зачастую работает в условиях очень высоких или очень
низких температур, больших давлениях или глубокого вакуума, интенсивного или
других видов износа.

Как отметил глава государства Нурсултан Абишевич Назарбаев, в
послании » Рост благосостояния граждан Казахстана — главная цель
государственной политики» отметил, что сегодня в условиях ухудшения
мировой конъектуры мы должны активизировать внутреннее инвестиционные ресурсы с
растущей ролью государственных холдингов, институтов развития,
социально-предпринимательских корпораций.

В настоящее время Казахстан начал реализацию
индустриально-инновационной стратегии, направленной на диверсификацию
экономики. Это программа будущего.

На сегодняшний день, основная стратегическая задача
Казахстана — занять достойное место в числе конкурентоспособных стран. В
стратегических интересах Казахстана — стратегия вступления во Всемирную
торговую организацию на условиях полностью учитывающих интересы страны.

Для решения этой задачи начато создание принципиально новой
системы управления экономическим развитием — национально-инновационной системы
— нашего проводника в мир новых технологий и новой экономики.

Сейчас инфраструктура индустриально-инновационного развития
уже сформирована. Капитализация государственных институтов развития на начало года
составила 730 млн. долларов США, портфель инвестиционных проектов превышает 1
млрд. 200 млн. долларов США.

За 2005 год реализовано 204 инвестиционных проекта, причем
половина из них — при поддержке институтов развития.

Казахстан придает особое значение Шанхайской Организации
Сотрудничества, реформированию СНГ, ЕврАзЭс, продолжению работы по созданию
единого экономического пространства. [1,4]

Хотелось бы отметить, как важно помнить, что Казахстан
воспринимается в мире, как региональная держава, обладающая сильной экономикой
и прочными позициями в международном сообществе. Этим статусом следует дорожить
и принимать дополнительные усилия для укрепления авторитета нашей страны в
современном мире.

Внедрение новых эффективных технологических процессов обычно связано
с применением более совершенного оборудования, которое зачастую работает в
условиях очень высоких или очень низких температур, больших давлениях или
глубокого вакуума, интенсивного или других видов износа.

Новые механические установки отличаются большой
производительностью оборудования, также имеют высокую единичную
производительность. Это позволяет существенно снизить расходы на единицу
продукции. Вместе с ним повышаются требования и надежность оборудования.
Увеличение габаритов и веса оборудования требует высокой квалификации от
исполнителя.

Эксплуатация действующих предприятий требует постоянно
совершенствовать технологии ремонта и монтажа. Для этого производство должно
быть оснащено новыми высокопроизводительными кадрами ремонтников. [9]

Надежная и безопасная эксплуатация оборудования в пределах
установленных параметров работы может быть обеспечена только при строгом
выполнении определенных запланированных во время мероприятий по надзору и уходу
за оборудованием, включая проверочные работы.

Совокупность этих организационно-технических мероприятий в
химической промышленности представляет собой единичную систему именуемой
системой планово-предупредительных ремонтов.

Рациональное и эффективное использование тепловой энергии
является сегодня определяющим фактором в выборе стратегии технического и
технологического перевооружения предприятий.

В промышленности происходит теплообмен между рабочими телами
(теплоносителями) в специально сконструированных аппаратах, которые называются
теплообменниками. [12, 272]

В данном курсовом проекте рассчитан теплообменник «труба
в трубе».

теплообменник труба параметр аппарат

1.
Технологическая часть

1.1 Краткая
характеристика оборудования, устройство оборудования

Теплообменные аппараты предназначены для проведения процессов
теплообмена при необходимости нагревания или охлаждения технологической среды с
целью ее обработки или утилизации теплоты.

Теплообменная аппаратура составляет весьма значительную часть
технологического оборудования в химической и смежных отраслях промышленности.
Удельный вес на предприятиях химической промышленности теплообменного
оборудования составляет в среднем 15-18 %, в нефтехимической и
нефтеперерабатывающей промышленностях 50 %. Значительный объем теплообменного
оборудования на химических предприятиях объясняется тем, что почти все основные
процессы химической технологии (выпаривание, ректификация, сушка и др.) связаны
с необходимостью подвода или отвода теплоты. Теплообменники «труба в
трубе» предназначены для нагрева и охлаждения сред в технологических
процессах нефтяной, газовой, химической, нефтехимической и других отраслях
промышленности.

Есть несколько видов тепловых процессов:

Нагревание — это повышенная температура перерабатываемых
материалов путем подвода к ним тепла.

Охлаждение — это процесс понижение температуры вещества путем
отвода от тепла.

Испарение — это процесс фазового превращения жидкости в пар,
протекающий при нагревании.

Конденсация — это снижение паров какого-либо вещества путем
отвода от тепла.

Выпаривание — это процесс концентрирования раствора,
происходящий в следствия испарения части растворителя при кипении раствора.
Изобретение относится к теплообменной аппаратуре и может быть использовано в
быту и в различных отраслях промышленности.

В настоящее время в промышленности и в быту широко
используются теплообменники. Такой теплообменник имеет корпус в виде барабана,
внутри которого между трубными досками расположены латунные трубки диаметром 16
мм. Теплопередача осуществляется через стенки латунных трубок. Для увеличения
поверхности теплопередачи увеличивают количество трубок, в связи с чем такой
теплообменник сложен в изготовлении и имеет большие габариты.

1 — труба теплообменная; 2 — труба кожуховая; 3 — опора; 4 —
решетка кожуховых труб; 5 — камера; 6 — решетка теплообменных труб; 7 — фланец
специальный соединения кожуховых труб с решеткой теплообменных труб; 8 — фланец
специальный

Рисунок 1 — Строение теплообменника «труба в трубе»

Теплообменник типа «труба в трубе» в котором
внутренняя труба имеет ступенчато изменяющееся сечение по ходу среды, а
наружная труба также имеет живое сечение, ступенчато изменяющееся по ходу
среды, и ее ступени смещены относительно ступеней внутренней трубы, причем
последние снабжены на выходном торце пазами, а наружная и внутренняя трубы
выполнены в виде сильфонов, пазы — в виде гофр.

В многопоточных теплообменных аппаратах распределительная
камера служит для распределения потока по теплообменным трубам. Между решетками
теплообменных и кожуховых труб расположена распределительная камера для среды,
протекающей по кольцевому пространству в кожуховых трубах. Многопоточные
теплообменники имеют два хода по внутренним трубам и два по наружным.

Теплообменник содержит спиральное оребрение, размещенное на
внутренней трубе с зазором относительно наружной трубы, причем последняя имеет
подводящий и отводящий патрубки межтрубной среды, расположенные тангенциально,
а на поверхности оребрения со стороны подводящего патрубка межтрубной среды
выполнены нагревающие лопатки, примыкающие к кромке ребер и расположенные с
зазором относительно внутренней трубы. Наличие лопаток обеспечивает направление
потока теплоносителя к поверхности внутренней трубы, что увеличивает теплосъем,
однако такая конструкция сложна в изготовлении. [3,280]

Известен, теплообменник содержащий установленные с зазором
переменной ширины наружную и внутреннюю трубы, последняя из которых имеет
круглое сечение и снабжена спиральным оребрением, примыкающим к стенке наружной
трубы, причем наружная труба в сечении имеет форму эллипса и установлена
совместно с внутренней трубой.

Наиболее близким к заявляемому решению по конструкции
является теплообменник типа «труба в трубе», у которого внутренняя
труба снабжена спиральным оребрением, размещенным с зазором в наружной трубе,
имеющей штуцеры для нагреваемой среды, причем зазор выполнен постоянной
величины на 1-6 мм меньше шага между витками спирального оребрения, а по оси
внутренней трубы с зазором относительно нее установлен электронагреватель, при
этом штуцеры размещены тангенциально.

В теплообменных аппаратах разборной конструкции внутренние
трубы в ряде случаев с наружной поверхности выполняются с оребрением,
позволяющим в 4 — 5 раз увеличить их поверхность теплообмена. Оребрение
внутренних труб используют, как правило, в тех случаях, когда со стороны одной
из теплообменивающихся сред трудно обеспечить высокий коэффициент теплоотдачи.
В этом случае оребрение поверхности со стороны такой теплообменивающейся среды
позволяет значительно увеличить количество переданного тепла.

Для повышения эффективности теплообмена в трубном
пространстве используют методы воздействия на поток устройствами, разрушающими
и турбулизирующими движение потока в трубе. Это различного рода турбулизирующие
вставки, завихрители, установленные по всей длине трубы, обеспечивают закрутку
потока, что является одним из эффективных способов интенсификации теплообмена в
трубах. Широкое распространение из-за простоты изготовления получили ленточные
завихрители. Наиболее эффективная закрутка потока при этом реализуется, если
лента вставлена в трубу практически без зазора. Дополнительный эффект в этом
случае заключается в том, что винтовая вставка увеличивает поверхность
теплообмена и воспринятое ею тепло посредством теплопроводности передается в
стенку трубы. [2,143]

Недостатком известного элемента является то, что при
выполнении конструкции из тонкостенных труб эффект от ступенчатого изменения
сечения незначителен из-за малой разницы в диаметрах; кроме того, улучшение
теплообмена происходит только в местах ступенчатого перехода. Если же каждый
элемент наружной или внутренней трубы имеет значительную протяженность, то
несмотря на наличие ступеней на его поверхности формируется пограничный слой,
препятствующий температуре из-за того, что каждый элемент труб имеет постоянное
поперечное сечение, градиент давления, усиливающий турбулизацию и
интенсифицирующий теплообмен, возникает только в местах перехода от одного
сечения к другому. Коэффициент теплоотдачи.

Важнейшей и наиболее трудоемкой частью технологического
расчета поверхности теплообменного аппарата является вычисление коэффициентов
теплоотдачи. Методы определения этих величин изучаются в специальном курсе
теплопередачи, здесь же приводится ряд формул, которыми и рекомендуется
пользоваться при расчете теплообменных аппаратов. Коэффициент теплоотдачи от
движущегося жидкого или газообразного потока зависит от режима движения: при
ламинарном (струйном) потоке коэффициенты теплоотдачи обычно малы, а при
турбулентном потоке более высоки и возрастают с увеличением степени
турбулентности. Режим потока устанавливается в зависимости от значения
безразмерного критерия Рейнольдса.

Поверхность теплообмена. При известных количествах
переданного тепла, средней разности температур между теплообменивающими средами
и коэффициенте теплопередачи поверхность теплообмена определяется делением
тепла на произведение средней разности температур и коэффициента теплопередачи.

Это справедливо для плоской стенки, а также для труб, если
толщина стенки мала по сравнению с диаметром. Этим же уравнением следует
пользоваться и для труб с относительно большой толщиной стенки, но в этом
случае поверхность теплообмена должна вычисляться по среднему диаметру.

Попытки сделать теплообменник «труба в трубе»
приводили к созданию теплообменников с большой длиной. Попытки уменьшить длину
теплообменника сводились к увеличению поверхности нагрева за счет
дополнительных устройств (приспособлений) — ребер, выполненных преимущественно
в виде винтовой спирали. С одной стороны, это не давало желаемого уменьшения
длины, а с другой стороны, приводило к усложнению конструкции. [2,189]

1.2
Назначения и краткая характеристика процесса

Общие сведения о теплопередачи. Различают установившейся и
неустановившейся процессы теплопередачи. При установившемся (стационарном)
процессе температуры, в которой точке аппарата не изменяются во времени, тогда
как при неустановившемся (нестационарном) процессе температуры изменяются во
времени. Установившиеся процессы соответствуют непрерывной работе аппаратов с
постоянным режимом; неустановившиеся процессы протекают в аппаратах
периодического действия, а также при пуске и остановке аппаратов непрерывного
действия и изменении режима их работы.

Передача тепла от одного тела к другому может происходить
посредством теплопроводности, конвекции и лучеиспускания.

Существуют два основных способа проведения тепловых
процессов: путем непосредственного соприкосновения теплоносителей и передачей
тепла через стенку, разделяющую теплоносители.

При передаче тепла непосредственным соприкосновением теплоносители
обычно смешиваются друг с другом, что не всегда допустимо; поэтому данный
способ применяется сравнительно редко, хотя он значительно проще в аппаратурном
оформлении.

При передаче тепла через стенку теплоносители не смешиваются,
и каждый из них движется по отдельному каналу; поверхность стенки, разделяющей
теплоносители, используется для передачи тепла и называется поверхностью
теплообмена.

Передача тепла теплопроводностью осуществляется путем
переноса тепла при непосредственном соприкосновении отдельных частиц тела. При
этом энергия передается от одной частицы к другой в результате колебательного
движения частиц, без их перемещения друг относительно друга.

Передача тепла конвекцией происходит только в жидкостях и
газах путем перемещения их частиц. Перемещение частиц обусловлено движением
всей массы жидкости или газа (вынужденная или принудительная конвекция), либо
разностью плотностей жидкости в разных точках объема, вызываемой неравномерным
распределением температуры в массе жидкости или газа (свободная, или
естественная, конвекция). Конвекция всегда сопровождается передачей тепла
посредствам теплопроводности.

Передача тепла лучеиспусканием происходит путем переноса
энергии в виде электромагнитных волн. В этом случае тепловая энергия
превращается в лучистую энергию (излучение), которая проходит через
пространство и затем снова превращается в тепловую при поглощении энергии
другим — теплом (поглощение).

Эти виды передачи тепла редко встречаются в чистом виде;
обычно они сопутствуют друг другу (сложный теплообмен). Так, при передаче тепла
через стенку перенос тепла от горячего теплоносителя к стенке и от стенки к
холодному теплоносителю осуществляется конвекцией, а через стенку — путем
теплопроводности.

Потеря тепла с нагретой поверхности в окружающую среду
происходит путем конвекции и лучеиспускания. [1,564]

Эксплуатация теплообменных аппаратов заключается в
регулировании температуры и очистки от загрязнений.

Регулирование производится с целью поддержания необходимого
температурного режима и осуществляется при изменение количества подаваемого
агента подогревающего или охлаждающего. Так в подогревателях поддерживают
постоянную конечную температуру холодного теплоносителя регулированием подачи
нагревающего агента.

Если нагревающим агентом служит водяной пар, то, прикрывая
паровой вентиль и уменьшая этим подачу пара, мы отнимаем от каждого килограмма
пара большое количество тепла, т.е. заставляем конденсат переохлаждаться.
Понижение температуры выхода конденсата приводит к уменьшению среднего
температурного напора в зоне переохлаждения и, следовательно, к уменьшению
количества тепла, сообщаемого холодному теплоносителю, вследствие чего его
конечная температура понижается. Для повышения конечной температуры холодного
теплоносителя необходимо увеличить открытия парового вентиля; тогда температура
выхода конденсата будет возрастать. Повышение конечной температуры холодного
теплоносителя и температуры выхода конденсата происходит до тех пор, пока не
станет равной температуре насыщения пара, дальнейшее открывания второго вентиля
бесполезно, так как, несмотря на увеличение, подает температурный напор
останется без изменения и количество тепла сообщаемого холодному теплоносителю,
не будет увеличиваться.

В холодильниках. конечную температуру горячего теплоносителя
поддерживают регулированием подачи воды (или другого охлаждающего агента): а
средний температурный напор увеличивается, что вызовет повышение количества
тепла, отнимаемого от горячего теплоносителя, и понижение его конечной
температуры.

Если количество обоих теплоносителей являются, определенным
(например, в собственно теплообменниках), то регулирование температуры
производится пропусканием части одного ‘из теплоносителей по обводной линии
(минуя теплообменники).

Очистка теплообменных аппаратов. При
использовании теплоносителей, выделяющих осадки и оказывающих коррозионное
действие на аппаратуру, поверхность теплообмена покрывается слоем загрязнений,
обладающих низкой теплопроводностью, что снижает коэффициент теплопередачи.
Очистку аппаратов от загрязнений производят периодически. Продолжительность
работы между очистками зависит от допускаемой степени загрязнение и от скорости
загрязнения поверхности теплообмена и может колебаться от нескольких дней до
нескольких месяцев (и более).

Очистка аппаратов производится либо вручную, либо
механическими или химическими способами. [4,321]

1.3 Описание
схемы процесса

При истечении жидкостей в теплообменнике температура их
изменяется: горячая жидкость охлаждается, а холодная нагревается. Характер
изменения температуры жидкости, движущейся вдоль поверхности нагрева, зависит
от схемы ее движения. В теплообменных аппаратах применяют в основном три схемы
движения жидкостей:

прямоточная, когда горячая и холодная жидкости протекают
параллельно;

противоточная, когда горячая и холодная жидкости протекают в
противоположном друг другу направлении;

перекрестная, когда жидкости протекают в перекрестном
направлении. [6,5]

Рисунок 1 — Схема теплообменника «труба в трубе»

2. Расчетная
часть

2.1
Материальный и тепловой расчет теплообменника «труба в трубе».

Средняя разность температуры:

Δt_м = t_1н — t_2к = 45-20=25 ºС

Δt_б = t_1к — t_2н = 35-20=15 ºС

Так как отношение Δt_б/Δt_м = 15/25 = 0,75< 2, то

Δt_ср = ; (1)

= 20ºС.

Средняя температура конденсата:

t_1ср ; (2)

 = 40 ºС.

Средняя температура раствора:

t_2ср = t_1ср — Dt_cр =°С; (3)

t_2ср=
40-20=20 °С.

Тепловая нагрузка аппарата:

Q = 1,05 G₂ c₂ (t_2н — t_2к);

где с₂ — теплоемкость раствора 3,61 кДж/кг∙К
[1,248];

G₂ —
массовый расход раствора;

,05 — коэффициент, учитывающий потери в окружающую среду.

G₂ =  = 1,16 кг/с;

Q = 1,05×1,16∙3,31
(20-20) = 4,4кВт.

Расход конденсата:

G₁= Q/с₁ (t_1н — t_1к); (4)

где с₁ = 4,19 кДж/кг·К — теплоемкость воды при 80 ºС [1,537].

G₁ = = 0,44 кг/с.

Выбор основных конструктивных размеров аппарата:

Принимаем, что аппарат изготовленный из труб 57´4 (внутренняя труба) и 76´4 (наружная труба) [2, 61].

Оптимальные условия теплообмена возможны при турбулентном режиме
движения (Re > 10000). Поэтому скорость раствора в
трубах должна быть больше w’₂:

w’₂ = Re₂m_2/ (d_внr₂); (5)

w’₂ =  = 0,65 м/с.

где m₂ = 2,29×10^-3 Па×с
— вязкость раствора [1,807],

r₂ = 878
кг/м³ — плотность раствора [1,805]

d₂ = 0,040
— внутренний диаметр трубы.

Число параллельно работающих труб 48´4:

n` = G<sub>2</sub>/0,785d<sub>вн</sub><sup>2</sup>w`₂r₂; (6)

n`= 0,05.

Для обеспечения устойчивого турбулентного режима движения воды
принимаем n` = 1, тогда фактическая скорость раствора
будет равна:

w₂ = G₂/0,785d_вн²n`₂r₂=м/с; (7)

= 0,55 м/с.

Критерий Рейнольдса для раствора:

Re₂ = w₂d₂r₂/m₂ =
0,55×0,040×878/1,45×10^-3
= 13321;

режим движения — турбулентный Коэффициент теплоотдачи от стенки к
раствору Критерий Нуссельта:

Nu₂ = 0,023×Re₂^0,8×Pr₂^0,4× (Pr₂/Pr_2ст) ^0,25; (8)

Критерий Прандтля:

Pr₂ = сm/l =  = 11,1.

l = 0,432 Вт/м×К
— коэффициент теплопроводности [1c.811];

Re₂ = 13321^0,8 = lg
13321^0,8 = 0,8 lg 13321 = 0,8·4,1245 = 3,2996= 3,2996 =1664₂
= 11,1^0,4 = lg 11,1^0,4 = 0,4 lg 11,1 = 0,4 (lg 111 — lg
10^-1) = 0,4

∙ (2,0453 — 1) = 0,4·1,04181=0,4181

Antlg = 0,4181 = 2,612

Примем в первом приближении (Pr₂/Pr_2ст) ^0,25 = 1, тогда

Nu₂ = 0,023×1994^0,8×12, 20^,4 = 120,0

a₂ = Nu₂l₂/d_вн =Вт/ (м²∙К); (9)

α₂=  =1296 Вт/ (м²×K).

Коэффициент теплоотдачи от конденсата к стенке:

Скорость воды в межтрубном пространстве:

w₁ = G₁/ [r₁0,785 (D_вн² — d_н²) n] =м/с; (10)

w₁=
0,44/972×0,785× (0,081² — 0,057²) ×1 = 0,17 м/с.

D_вн = 0,081
м — внутренний диаметр большой трубы,

d_н = 0,057
м — наружный диаметр малой трубы.

Критерий Рейнольдса для воды: Re₁ = w₁d_эr₁/m_1,где
m₁ = 0,355×10^-3
— вязкость воды при 80 °С [1, 806],

d_э —
эквивалентный диаметр межтрубного пространства.

d_э = D_вн-d_н = 0,081 — 0,057 = 0,024 м;

Re₁ = 0,17×0,024×972/0,355×10^-3
= 11171.

Режим движения — турбулентный.

Критерий Нуссельта:

Nu₁ = 0,023×Re₁^0,8×Pr₁^0,4× (Pr₁/Pr_1ст) ^0,25

Критерий Прандиля для воды Pr₁ = 2,21
[2,537];

Re₁ = 17742^0,8 = lg
17742^0,8 = 0,8 lg 17742 = 0,8·4,2490= 3,3992;= 3,3992 = 6012;₁
= 2, 20^,4 = lg 2, 20^,4 = 0,4 lg 2,2 = 0,4 (lg 22 — lg 10^-1)
= 0,4 (1,3424 — 1) = 0,4·0,3424 = 0,1472; = 0,1472 = 1,404;

Примем в первом приближении (Pr₁/Pr_1ст) ^0,25 = 1, тогда

Nu₁ = 0,023×6012^0,8×2,21^0,4 = 129,0;

a₁ = Nu₁l₁/d_э =Вт/ (м²∙К); (11)

 =5440 Вт/ (м²×K).

где l₁=0,673 Вт/ (м×K) — теплопроводность воды при 80 °С [1, 810]

Тепловое сопротивление стенки:

 (12)

где d = 0,004 м —
толщина стенки

l_cт = 17,5
Вт/ (м×К) — теплопроводность нерж. стали [2,529]

r₁=r₂=1/5800 м×К/Вт —
тепловое сопротивление загрязнений [2, 531]

 = (0,004/17,5) + (1/5800) + (1/5800) = 5,73×10^-4 м×К/Вт;

Коэффициент
теплопередачи:

 (13)

К = 1/ (1/5440+ 5,73×10^-4 + 1/1296) = 109 Вт/ (м²×К).

 

Температура
стенок:

Со стороны раствора:

t_ст2 = t₂+ t_ср/a₂= ° С; (14)

t_ст2 =55+ 109× (-25) /1296 = 52,9° С;

Pr_ст2= 9,6 ® a_1ут = Вт/ (м²×К); (15)

Pr_ст2=1296× (11,1/9,6) ^0,25
=1345 Вт/ (м²×К).

Со стороны воды:

t_ст1 = t₁ — KDt_ср/a₁ =° С; (16)

t_ст1 = 30 — 109× (-25) /5440 = 30,5° С;

a₁ = 5440 (2,21/2,43) 0,25
= 5338 Вт/ (м²×К).

Уточненный расчет коэффициента теплопередачи:

K = 1/ (1/1345 + 5,73×10^-4+1/5338) =
124,66 Вт/ (м²×К);

Проверяем температуру стенки:

t_ст1 = t₁ — KDt_ср/a₁ =° С; (17)

t_ст1 =80,0 — 124,66×35/5338 = 79,2° С.

t_ст2 = t₂ — KDt_ср/a₂ =° С; (18)

t_ст2 =55+ 124,66× (-25) /1345 = 52,68° С.

Полученные значения близки к ранее принятым и дальнейшего
уточнения не требуется.

Поверхность
теплообмена F = Q/ (KDt_ср) =84,8×10³/ (124,66×35) =19,44м²

Выбор
стандартного аппарата по ГОСТ 8930-78 [3,61] выбираем стандартные неразборные
элементы длиной 6,0 м, для которых поверхность теплообмена равна 0,90 м²,
тогда число элементов в одном ряду составит:

N = F/ (nF₁) =19,44/ (1×0,90) = 21,6 принимаем N = 22.

2.2
Гидравлический расчет

Гидравлический расчет:

Скорость раствора в трубах: w₂ = 0,55 м/с.

Относительная шероховатость:

e₂ = D/d_вн;

e₂= 0,0002/0,040 = 0,0050;

где D = 0,0002 м — шероховатость труб [2,14]

Коэффициент трения. Так как выполняется условие:

/е₂ = 10/0,005 =2000 < Re₂ < 560/e₂ = 560/0,005 = 112000.

то коэффициент трения будет равен:

l₂ = 0,11 (е₂ + 68/Re₂)
^0,25 = 0,11 (0,005 + 68/13490) ^0,25 = 0,11·0,01^0,25;

Lg0, 01^0,25 = 0,25lg 0,01 = 0,25 (lg
10 — lg 10^-3) = 0,25 (0 — 3) = 0,25 · ( — 3) = — 0,75 = 1,65; 1,65 = 0,4467;

l₂ = 0,11·0,4467 = 0,049.

Сумма местных сопротивлений:

åx = x₁ + x₂ + 4x₃

åx=0,5 + 1,0 = 1,5;

где x₁ = 0,5 — вход в трубу [2,14];

x₂ = 1,0 — выход из трубы.

Гидравлическое сопротивление трубного пространства:

 = Па; (19)

 (0,049×6·22/0,040
+ 1,5) 878×0,41²/2 =12044 Па.

Подбор насоса:

Требуемый напор насоса:

Н = DР/ (rg) =12044/ (878×9,8) = 1,4 м.

Объемный секундный расход:

Q = G/r = 0,61/878= 0,00069 м³/с.

По этим двум величинам выбираем центробежный насос Х8/30, для которого
производительность Q = 2,4×10^-3 м³/с;

напор Н = 17 м [2,38].

Коэффициент трения для воды в межтрубном пространстве:

Относительная шероховатость:

e₁= D/d_э = 0,0002/0,024 = 0,008.

Так как выполняется условие:

/е₁ = 10/0,008 = 1000 < Re₁ <
1250/e₁ = 560/0,008 = 70000.

то коэффициент трения будет равен:

l₁ = 0,11 (е₁ + 68/Re₁) ^0,25 =
0,11× (0,008 + 68/17742) ^0,25
= 0,026;, 012^0,25 = 0,25lg 0,012 = 0,25 (lg 12 — lg 10^-3)
= 0,25 (1,0792 — 3) = 0,25 · ( — 1,9208) = — 0,4802 = 1,3802; 1,3802 = 0,2400.

 

Сумма
местных сопротивлений:

åx =9 (x₁ + x₂);

åx = 13,5;

где x₁ = 0,5 — вход в трубу [2,14];

x₂ = 1,0 — выход из трубы.

Гидравлическое
сопротивление межтрубного пространства:

 Па; (20)

 ( (0,026×6·22/0,024
+ 13,5) ×972×0,27²/2 =14335 Па.

Подбор насоса:

Требуемый напор насоса:

Н = DР/ (rg) = 14335/ (878×9,8) = 1,6 м.

Объемный секундный расход:

Q = G / r = 0,61/878 = 0,0026=2,6·10^-3
м³/с.

По этим двум величинам выбираем центробежный насос Х8/30, для
которого производительность Q = 2,6×10^-3 м³/с.

напор Н = 17 м [2,38]

3. Техника
безопасности и охрана окружающей среды

3.1 Техника
безопасности при работе с теплообменником «труба в трубе»

Общие требования к техники безопасности

. Перед началом работы с теплообменником:

приходить на работу за 15 минут до начало работы;

при получении новой работы требовать от мастера дополнительного
инструктажа;

при выполнении работы пользоваться исправными инструментами,
работать по нормам спец. одежде;

проверить оборудование на холостом ходу, а также заземление,
освещение, вентиляцию;

выполнять только ту работу которую поручили на день.

. Во время работы:

быть внимательным, не отвлекаться посторонними делами, не
разговаривать и не отвлекать других;

не допускать посторонних лиц к своему рабочему месту;

не оставлять без присмотра включенное оборудование, даже на
короткий срок;

быть внимательным к сигналам, подаваемые крановщиками
электрокранов и водителя движущегося транспорта;

в случаи травмирования или недомогания прекратить работу,
доложить об этом мастеру и обратиться в мед. пункт.

. По окончанию работы:

тщательно убрать рабочее место;

сдать работу мастеру;

в журнале приема сдачи смен записать все поломки или видов
брака за смену;

помыться, переодеться и покинуть территорию предприятия.

. Потенциальные опасности:

травмы;

химические ожоги;

термические ожоги.

. Потенциальные вредности:

токсичность используемых веществ при недостаточной
вентиляции;

плохое освещение;

шум, вибрация;

температурный режим. [4,361]

Рабочие и служащие обязаны соблюдать
дисциплину труда и выполнять правила внутреннего распорядка: не нарушать
установленную продолжительность рабочего дня, добросовестно относиться к своей
работе, пользоваться выданной спецодежде, спец обувью и всеми предусмотренными
защитными и предохранительными приспособлениями, содержать в порядке и чистоте
своё рабочие место. Соблюдать правило внутреннего трудового распорядка имеет
важное значение для создания здоровых и безопасных условий труда.

Все работники предприятий химической
промышленности, независимости от характера и степени опасности производства,
квалификации и стажа работы по данной профессии или должности, при поступлении
на работу, и в дальнейшем, периодически проходят различный инструктаж и
обучение безопасным приёмам и методам работы. Без прохождения инструктажа никто
не может быть допущен к выполнению своих профессиональных обязанностей.

Для — технологов наибольшее практическое значение для
характеристики токсичности вещества представляет их ПДК в воздухе рабочей зоны,
значение которых представлено в приложении к ГОСТу 12.1.005-76. (на сегодняшний
день установлен ПДК больше, чем для 800 веществ). Это объясняется тем, что
наиболее часто, производственные отравления, происходят в результате того, что
вредные вещества поступают в организм человека в виде газов, паров, туманов,
аэрозолей через органы дыхания. Этому способствует большая поверхность легочной
ткани, быстрота проникновения в кровь и отсутствие дополнительных барьеров на
пути яда из вдыхаемого воздуха в различные органы и системы организма.
Дополнительную роль играет повышенная лёгочная вентиляция и усиление кровотока
в легких при работе, особенно физической. На быстроту поступления токсических
веществ из воздуха в кровь влияет их растворимость в воде, близкая с
растворимостью в крови.

Процессы жизнедеятельности происходят в организме человека
при условии сохранения постоянной температуры его тела около 36,5°, которая
может колебаться без ущерба для здоровья в небольших пределах. Постоянная
температура тела поддерживается теплорегуляцией, посредством рефлекторных
механизмов, обеспечивающих необходимое соотношение процессов теплообразования и
теплоотдачи в организме в зависимости от температуры окружающей среды. Важную
роль играет центральная нервная система. Тепло в организме образуется за счет
происходящих в нем химических процессов (обмена веществ), отдача тепла
происходит различными путями, главным образом через кожу. Возможности
теплорегуляции путем уменьшения или увеличения теплообразования и теплоотдачи
ограничены и могут длительно осуществляться только в определенном диапазоне
температуры окружающей среды. Поэтому длительное пребывание человека в условиях
высокой температуры окружающей среды ведет к общему перегреванию организма,
резким проявлением которого является тепловой удар. Он нередко возникает при
работе в условиях высокой температуры воздуха в помещениях, а также во время
длительных маршей и переходов, особенно плотными колоннами.

При температуре воздуха выше 33° теплорегуляция
осуществляется повышенной теплоотдачей за счет испарения пота. Интенсивность
этого процесса зависит от температуры, влажности и скорости движения воздуха.
Повышенная влажность усиливает, а движение воздуха ослабляет вредное действие
на организм высокой температуры.

Поэтому температура воздуха, которая может привести к
перегреванию, не имеет абсолютного значения и колеблется в зависимости от продолжительности
воздействия, влажности и скорости движения воздуха. Организм человека в
состоянии осуществлять теплорегуляцию, если температура окружающего воздуха не
превышает 45°. При влиянии неблагоприятных факторов внешней среды эта
способность утрачивается уже при более низкой температуре и наступает
перегревание организма. Например, при относительной влажности 85% перегревание
может наступить при температуре 30 — 31°. Перегреванию способствует также
мышечная работа, которая сопровождается усиленным образованием тепла в
организме, и плотная одежда. При переутомлении, заболеваниях
(сердечнососудистых, ожирении, расстройствах функции щитовидной железы),
алкоголизме, в пожилом и раннем детском возрасте устойчивость организма к
перегреванию снижена. Сказываются и индивидуальные особенности организма,
поскольку при одних и тех же условиях внешней среды у разных лиц интенсивность
потоотделения не одинаковая. [4,368]

3.2 Охрана
окружающей среды и экологии

В химической и другой отраслях
промышленности, есть технологические процессы, в которых техническими и
организационными мероприятиями невозможно достичь безопасных и безвредных
условий труда. В этом случае предусматривается система льгот и компенсации за
профессиональные вредные условия труда; сокращенный рабочий день,
дополнительный отпуск. Большую роль в предотвращении вредных воздействий на
организм играет правильное применение средств индивидуальной защиты.

Воздействие на окружающую среду;

о перспективах развития техники и технологии защиты
окружающей среды и их взаимосвязи со смежными направлениями науки, техники и
технологии;

знать и уметь использовать:

принципы рационального использования природных ресурсов и
защиты окружающей среды и основные задачи в области контроля и управления
антропогенным воздействием на окружающую среду;

методы инструментального анализа в различных средах
загрязняющих веществ и других факторов антропогенного воздействия на.
окружающую среду;

правовую и нормативно-техническую документацию по вопросам
защиты окружающей среды и рациональному использованию природных ресурсов;

методы оценки экологической и эколого-экономической
эффективности природоохранных мероприятий;

иметь опыт:

работы с опасными химическими веществами и другими факторами
воздействия на окружающую среду;

владения рациональными приемами поиска, сбора и хранения
информации по вопросам охраны окружающей среды и использования природных
ресурсов, а также анализа информации по поставленной конкретной задаче в данной
области;

организации и осуществления экспериментальных исследований

по очистке отходящих газов и сточных вод, переработки и
контроля технологических процессов с использованием современных средств и
приборов;

владения принципами современного технического анализа и
навыками обращения с соответствующей аналитической аппаратурой и приборами;

составления и анализа принципиальных технологических и
аппаратурных схем технологических процессов;

проведения обследования и оценки экологической деятельности
производства и разработки рекомендаций и предложений, направленных на ее совершенствование.
Дополнительные требования к специальной подготовке инженера-эколога
определяются высшим учебным заведением с учетом особенностей специализации.

Очистка выбросов, направляемых в
атмосферу.

Существуют различные способы очистки
выбросов, направляемых в атмосферу. Эффективность каждого метода определяется
санитарными и техническими требованиями и зависит от физико-химических свойств
удаляемых примесей, состава и активности реагентов, применяемых для очистки, а
также от конструкции аппаратов. Наиболее распространенные методы очитки
выбросов от газов и паров — абсорбционный, адсорбционные и каталитический.
Абсорбционные и адсорбционные методы основаны на поглощении вредных газов и
паров из воздуха жидкими или твердыми сорбентами. Регенерация поглотителя
производится продувкой (отгонкой) острым паром. Очищенную от удаляемого
компонента газовую смесь, если позволяют санитарные требования, выбрасывают в
атмосферу. Выделенный из газовой смеси удаляемый компонент используют для
производственных целей или обезвреживанию и уничтожению каким — либо способом
превращаются в безвредные или менее вредные, легко удаляемые из газа. В
последнем случае требуется вторая стадия очистки — методами абсорбции или
адсорбции.

Различают организованные и
неорганизованные источники загрязнения, Организованные выбросы, которые можно
контролировать, поступают из коммуникаций хвостовых технологических газов, от
предохранительных клапанов, из систем общей и местной вытяжной вентиляции и др.
Неорганизованные выбросы, из-за неплотностей в аппаратуре, машинах,
трубопроводах, при периодических технологических процессах, отборе проб
вручную, открытом хранении сырья либо готовой продукции и др.

Борьба с неорганизованными выбросами
затруднена в связи с тем, что их источники рассредоточены на большой
территории, поэтому применение каких либо очищающих сооружений исключается. Для
сокращения выбросов следует применять меры, связанные с изменением технологических
процессов. Например, организация безотходных технологий, при которых отходы не
выбрасываются наружу, а возвращаются обратно в процесс, организация непрерывных
процессов. Усиление требований к степени герметичности оборудования и
применение складов, емкостей. Транспортных устройств закрытого типа позволяет
сократить выбросы. Организованные выбросы вновь возвращают в технологический
процесс или подвергают очистке.

Для тонкой очистки воздуха от пыли
применяют фильтры различной конструкции.

Сухие фильтры бывают бумажные, матерчатые,
сетчатые и другие.

Для управления высокодисперсных частиц
пыли и туманов применяют электрическую очистку газов в электрофильтрах. Принцип
работы основан на создании силового электрического поля током высокого
напряжения (50-100кВт), подводимого к коронирующим и осадительным электродам.
[10,169]

Общий характер действия метилового спирта:
наркотик, вызывающий сначала возбуждение, а затем паралич центральной нервной
системы. При длительном воздействие больших доз паров метилового спирта может
вызвать тяжёлые органические заболевания нервной системы, сердечно-сосудистой
системы, пищеварительного тракта и т.д.

Острое отравление: Картина общего
отравления общеизвестна. Острое отравление парами этилового спирта на
производстве практически маловероятно, даже считая что все вдыхаемые пары
остаются в организме. При вдыхании 2,5-5 мг/л уже через 20-25 мин изменяется
скорость протекания коленного рефлекса.

Действия на кожу: Скорость проникания
паров метилового спирта через кожу пропорциональна концентрации спирта в
растворитель. Метиловый спирт в чистом виде вызывает у работающих сухость кожи,
изредка — образование трещин.

Меры предосторожности: герметизация
аппаратуры и коммуникаций, недоступность этилового спирта. [10,115]

Список
использованных источников

1.
Плановский А.Н. Процессы и аппараты химической промышленности. М.: Химия, 1967
842с.

.
Кувшинский М.Н. Соболева А. П Курсовое проектирование по предмету
«процессы и аппараты химической промышленности», М.: Высшая школа,
1980 223с.

.
Плановский А.Н. Николаев П. И Процессы и аппараты химической и нефтехимической
технологии, М.: Химия, 1987 496с.

.
Романков П.Г. Курочкина М.И. Примеры и задачи по курсу «Процессы и
аппараты химической промышленности» Л.: Химия, 1984 229с.

.
Романков П.Г. Курочкина М.И. Расчетные диаграммы и номограммы по курсу Процессы
и аппараты химической промышленности: Учебное пособие для техникумов Л.: Химия,
1985 7л.

.
ГОСТ 9930-67 Теплообменники «труба в трубе» стальные.

.
Павлов К. Ф, Романков П.Г. Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и
аппаратов Л.: Химия, 1987 576 с.

.
Брадис В.М. Четырехзначные математические таблицы М.: Просвещение, 1990 95с.

.
Послание президента 2012год — «Рост благосостояния граждан Казахстана —
главная цель государственной политики».

.
Медведев В.С. Охрана труда и противопожарная защита в химической
промышленности. Москва. Химия, 1989 288с.

.
Карпов В.Н. Оборудование предприятий химической промышленности. Химия, 1978
350с.

.
Лазарев Н.В. Левина Э.Н. Вредные вещества в промышленности. Химия, 1983 590 с.