Холодильник охлаждения азота

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

 

 

                Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального  образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ 

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ  УНИВЕРСИТЕТ»

ИНСТИТУТ ПРИРОДНЫХ  РЕСУРСОВ

 

 

Кафедра  Общей химической технологии

Учебная дисциплина: процессы и аппараты химических производств

 

 

                                Пояснительная записка к курсовому проекту

«ХОЛОДИЛЬНИК ОХЛАЖДЕНИЯ АЗОТА»

 

 

Исполнитель

Студент,  № группы      ________________        

   (подпись, дата) (Ф.И.О.)

Руководитель_________________               ________________ 

(должность, уч.степень, звание)      (подпись, дата) (Ф.И.О.)

 

                                                     

 

                                                     

 

                                                          Томск-2013    

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Теплообменными аппаратами (теплообменниками) называются устройства, предназначенные для обмена теплом между греющей и обогреваемой рабочими средами (теплоносителями).

По назначению теплообменники классифицируются на:

• подогреватели;
• холодильники;
• конденсаторы;
• испарители и т.д.

     По способу   передачи тепла различают следующие  типы теплообменных аппаратов:

     - поверхностные,  в  которых оба теплоносителя  разделены стенкой, причем тепло передается через поверхность стенки;

     - регенеративные,  в которых процесс передачи тепла от горячего теплоносителя к холодному разделяется по времени на два периода и происходит при попеременном нагревании и охлаждении насадки теплообменника;

     - смесительные,  в которых теплообмен происходит при непосредственном соприкосновении теплоносителей.

     В химической  промышленности  наибольшее распространение  получили поверхностные теплообменники,  отличающиеся разнообразием конструкций, основную группу  которых представляют трубчатые теплообменники,  такие как: кожухотрубные, оросительные, погруженные и "труба в трубе".

     Одними из  самых  распространенных  типов  теплообменников являются кожухотрубные теплообменники. Кожухотрубные теплообменники относятся к рекуперативным поверхностным аппаратам. По конструкции они представляют собой аппараты, выполненные из пучков труб, концы которых закреплены в специальных трубных решетках путем развальцовки, сварки, пайки, а иногда на сальниках. Пучек труб расположен внутри общего кожуха,  причем  один  из теплоносителей движется по трубам,  а другой - в пространстве между кожухом и трубами.

     Кожухотрубные теплообменники могут быть с неподвижной трубной решеткой или с температурным компенсатором на кожухе,  вертикальные  или горизонтальные. В  соответствии с ГОСТ 15121-79,  теплообменники могут быть двух- , четырех- и шести-ходовыми по трубному пространству.

     Достоинствами  кожухотрубных  теплообменников являются: 

• большая удельная поверхность теплообмена;
• компактность;
• небольшой расход металла; 
• возможность извлечения пучка труб для очистки и ремонта;
• широкий набор вариантов исполнения для различных условий эксплуатации.

  Недостатки кожухотрубных теплообменников:

• большое сечение трубного и межтрубного пространства, что обуславливает невысокие скорости движения теплоносителей;
• трудность  очистки межтрубного пространства
• трудность изготовления из материалов, не допускающих развальцовки и сварки.

     Кожухотрубные  теплообменники могут использоваться как для нагрева, так и для охлаждения.

В качестве греющего агента в теплообменниках часто используется насыщенный водяной пар, имеющий  целый ряд достоинств:

- высокий коэффициент  теплоотдачи;

- равномерность обогрева, так как конденсация пара происходит при постоянной температуре;

- небольшая стоимость,  доступность.

 

1.Технологический расчет

1.1 Расчет тепловой  нагрузки аппарата.

Согласно заданию азот охлаждается с температуры 20 °С, до температуры -10 °С, в качестве охлаждающего агента взят раствор 25 % NaCl, температура на входе и выходе сотавляет -17 и -7 °С соответственно. Расход азота составляет: 12000 м.куб/час:

  Объемный расход азота:

Температура азота на входе                                            °С

Температура азота на выходе                                      °С

Температура 25% раствора NaCl на входе              °С

Температура  25% раствора NaCl на выходе           °С

                G.азота = 3,3

 

Технологический расчет аппарата ведется согласно [2, со стр. 212]

Определим средние температуры  теплоносителей [2, стр. 214] :

Средняя температура азота:

 

Средняя температура 25%-го NaCl:

Определим среднюю разность температур при противотоке теплоносителей [2, стр. 214]:

Разность температур на воде в аппарат:

Разность температур на выходе из аппарата:

Так как средние разности температур на входе и выходе из аппарата отличаются больше чем в 2 раза, то средняя разность температур в аппарате находится как среднелогарифмическая между большей и меньшей разностями температур теплоносителей на концах аппарата:

Определение физико-химических свойств теплоносителей при средней температуре.

Физико-химические свойства азота [табл. 1 [7]]:

Коэффициент теплопроводности, ВТ/(м*К)	0,025
Плотность, кг/м куб.	1,193
Коэффициент динамической вязкости, Па*с	1,689*10-5
Теплоемкость, Дж/(кг*К)	1039
Расчетный критерий Прандтля	0.711
Давление, Па	0.985*105

 

 

 

 

 

 

 

Физико-химические свойства 25%-го раствора NaCl:

Коэффициент теплопроводности, ВТ/(м*К)	0,497
Плотность, кг/м куб.	1175
Коэффициент динамической вязкости, Па*с	5,402*10-3
Теплоемкость, Дж/(кг*К)	3320
Расчетный критерий Прандтля	36,088

 

Определение тепловой нагрузки греющего пара [2, стр. 216]

Для начала найдем массовый расход азота:

Коэффициент учитывающий потери тепла в окружающую среду принимаем 0,97, и из уравнения теплового баланса находим количество тепла необходимое изъять из азота, чтобы он охладился до заданной температуры:

Зная Q₁ можно найти массовый расход рассола необходимого для принятия этого тепла:

Найдем расчетную поверхность  теплопередачи в первом приближении, для этого необходимо задаться коэффициентом  теплопередачи.  Для конденсирующегося пара и нагревающегося (охлаждающегося) от него газа коэффициент К имеет пределы:  К = 10 - 60 Вт/м кв. Принимаем среднее значение коэффициента:

 

Тогда расчетная площадь  поверхности теплопередачи составляет [2, стр. 216]

 

В соответствии с ГОСТ 15118-79, ГОСТ 15120-79, ГОСТ 15122-79, производим выбор  теплообменного аппарата, удовлетворяющего условию:

                                                       

                                                             Fап.>F,

 

где Fап. - площадь теплообмена выбранного аппарата,

      F - расчетная  площадь поверхности теплообмена.

Теплообменик типа ХН имеет следующие параметры:

Диаметр трубок                                                     

Внутренний диаметр трубок                                 

Толщина трубок                                                     

Диаметр внутренний                                             

Число ходов, по трубному пространству              

Количество труб                                                     

Длина труб                                                             

Поверхность теплообмена                                   

Расстояние между перегородками                        

Число перегородок в межтрубном пространстве 

Проходное сечение в трубном пространстве        

Проходное сечение в межтрубном пространстве   

В теплообменных трубах 25х2 мм холодильников по ГОСТ  15120 - 79, скорость течения рассола при  Re>10000 должна быть более:

Проходное сечение трубного пространства при этом должно быть не менее:

где 

                                            - объемный расход 25% NaCl

Как видно выбранный теплообменник  не может обеспечить данную площадь, следовательно необходимо произвести технологический расчет теплообменного аппарата во втором приближении:

Найдем cкорость и критерий Рейнольдса для рассола:

скорость :

 

тогда критерий Рейнольдса равен:

   

 

Найдем скорость и критерий Рейнольдса для азота:

скорость 

 

тогда критерий Рейнольдса для азота составляет:

 

Для расчета процесса теплопередачи  в этом случае, необходимо знать температуры стенки. Для потока в трубах при Re<10000 значение температуры стенки со стороны холодного теплоносителя влияет на выбор вида расчетной формулы через посредство произведения  Gr*Pr. Зададимся значениями температур стенок исходя из того что: tср (азота)>tст1>tст2>tcp (NaCl(25%)). Примем температуру стенки со стороны теплоносителей (с последующей проверкой):

Расчет коэффициента теплоотдачи для азота

Для расчета коэффициента теплоотдачи необходимо знать физико-химические свойства теплоносителей при температурах стенки:

Для азота:

теплоемкость

динамическая вязкость   

теплопроводность             

Критерий Прандтля         

Коэффициент ε_ϕ принимаем равным 1 согласно таблице 4.5 (стр 157, Павлов, Романков), тогда при Re>10000 рекомендуется соотношение:

Коэффициент теплоотдачи  для азота тогда равен:

 

Расчет коэффициента теплоотдачи для 25% раствора NaCl

Для выбора расчетной формулы  определим произведение (Gr*Pr) при определяющей температуре: средней температуре приграничного слоя [2, стр.154]:

Физические свойства раствора при средней температуре приграничного слоя:

плотность

 

динамическая вязкость  

 

теплопроводность  

теплоемкость 

коэффициент линейного расширения 

Критерий Прандтля при  средней температуре приграничного  слоя равен:

Критерий Грасгоффа тогда равен:

 

где

                 - ускорение свободного падения

                             - разность температур раствора  NaCl

Произведение Gr*Pr тогда составляет:

Тогда формула для вычисления критерия Нульсетта принимает следующий вид:

Зная критерий Нульсетта, находим коэффициент теплоотдачи со стороны раствора:

Найдем расчетный коэффициент  теплопередачи для второго приближения:

где

  - сумма термических сопротивлений стенки

трубок  [2, табл. 31].

Разница температур, принятых для стенки, составляет:

Найдем поверхностную  плотность теплового потока:

и уточним значения температур стенки:

 

Находим расчетную поверхность  теплопередачи во втором приближении, однако возьмем ее с запасом в 10%:

Ближайшие аппарата с такой  площадью имеют длину трубок 3 м, аппарат имеет 206 трубок, найдем площадь  поверхности одного аппарата по среднему диаметру труб:

где

   - длина трубок выбранного аппарата;

 - количество трубок в выбранном  аппарате.

Найдем необходимое число аппаратов, которое обеспечит нам расчетную  поверхность теплообмена:

                       

Испонительное количество аппаратов: 1. Запас поверности теплообмена при этом составляет:

Окончательно принимаем  аппарат во втором приближении:

Теплообменник типа ХН 

Толщина трубок 

Диаметр трубок 

Внутренний диаметр трубок 

Диаметр внутренний