Расчетная часть-Расчет аппарата воздушного охлаждения-Курсовая работа-Дипломная работа-Машины и аппараты нефтехимических производств

Расчетная часть-Расчет аппарата воздушного охлаждения-Курсовая работа-Дипломная работа-Машины и аппараты нефтехимических производств

2 Тепловой расчет

Исходные данные

Технологический расчет АВО включает в себя тепловой и гидравлический расчеты, в результате которых определяют необходимую поверхность теплообмена, основные размеры аппарата, расход воздуха, потери напора воздуха, проходящего через пучок оребренных труб.
Подобрать АВО для конденсации и охлаждения паров, отводимых с верха ректификационной колонны. Установка пиролиза, расположенная в городе – Уфа. Продукт – тяжелый бензин. Производительность G = 10000 кг/час. Давление на входе Pвх = 0,2 МПа. Начальная температура продукта Tвх = 170 C, конечная температура Tвых = 40C.

2.1 Тепловой баланс и расчет тепловой нагрузки аппарата

Поскольку трубное пространство аппарата по принципу действия близко к аппаратам идеального вытеснения, его можно разделить на две зоны: конденсации и охлаждения конденсата. В зоне конденсации температуру можно принять постоянной и равной Tвх, а в зоне охлаждения конденсата теплофизические свойства определяются при средней его температуре. Все свойства конденсата удобно представить в таблице:

Таблица 2 – Теплофизические свойства конденсата
Продукт:
тяжелый бензин Плотность, кг/м3 Дин. вязкость,
Пас Уд. теплоем-кость, Дж/кгК Теплопро-водность,
Вт/мК Уд. теплота конденсации, Дж/кг
Т1=Твх=170C 1=625,5 1=0,2·10-3 с1=3400 1=0,122 r=490·103
Т2=0,5(Твх+Твых)=
=105C 2=679,5 2=0,34·10-3 с2=2925 2=0,126 –
2.2. Тепловая нагрузка и предварительный подбор АВО
Тепловую нагрузку аппарата Q определим по формуле:

Q = Q1 + Q2 (2.3)

 Для этого определим количество тепла Q1, выделяющегося при конденсации, по формуле:
Q1 = G r (2.4)

Q1 = 10000 490∙103 =4,9∙109 Дж/ч

Количество тепла Q2, выделяющегося при охлаждении конденсата, по формуле:
Q2= G ∙c2∙(Твх−Твых) (2.5)

Q2 = 10000 ∙4900∙(170 −40)= 3,8∙109 Дж/ч

Q = Дж/с.

Определяем необходимую площадь поверхности теплообмена F. При предварительном подборе аппарата воздушного охлаждения выбираем величину теплонапряженности, отнесенную к оребренной поверхности. Для всех типов АВО величина теплонапряженности принимается равной:

q = 1000 2100 Вт/м2.

Примем q = 1100 Вт/ м2, тогда

(2.6)

F м2

По таблицам приложения Б в соответствии с полученным значением поверхно¬сти F подбираем аппарат воздушного охлаждения.
Выбираем аппа¬рат воздушного охлаждения горизонтального типа с коэффициентом оребрения 9, длина труб 8 м, количество рядов труб 6, коли-чество ходов по трубам 3, поверхностью теплообмена 2650 м2, внутренний диаметр трубок 0,022 м.

2.3. Определение коэффициента теплоотдачи со стороны воздуха
Приведенный коэффициент теплоотдачи, отнесенный к наружной поверхности, условно неоребренной трубы для труб с накатанными ребрами при коэффициенте оребрения 9 определяем по формуле:

пр = (2.7)

Скорость воздуха в узком сечении определяем по следующей формуле, при этом принимаем наименьшую площадь сечения межтрубного пространства fм при коэффициенте оребрения φор =9 и длине труб l = 8 м равной 11,02 м2.

(2.8)

Расход воздуха Vв определяем при средней температуре воздуха из уравнения теплового баланса.
Температура воздуха на входе в аппарат T3 принимаем как среднюю температуру сухого воздуха в 13 часов дня наиболее жаркого месяца в году города Уфа, T3 = 23,4 oС . Температуру на выходе из аппарата T4 принимаем на 15 oС выше конечной температуры охлаждаемой жидкости, но не более 60 oС, T4 = 55oС. Среднюю температуру воздуха определим по формуле:

tср = 0.5∙( T3 + T4) (2.9)

tср = 0,5∙(23,4 +55) =39,2 oС=312,2 K.

Объемный расход воздуха Vв :

(2.10)

м3/c
 

Скорость воздуха в узком сечении :

м/с
 Коэффициент теплоотдачи:
Вт/м2К.

2.4 Определение коэффициента теплоотдачи паров продукта и площади поверхности теплообмена в зоне конденсации
Коэффициент теплоотдачи со стороны продукта будет иметь одно и то же значение как в случае использования гладкой наружной поверхности трубы, так и в случае оребренной. Расчет коэффициента теплоотдачи со стороны конденсирующихся паров продукта определяют по формуле:

, (2.11)

где КL – поправочный коэффициент
 С – поправочный коэффициент (для горизонтальных труб С = 0,72);
 l – определяющий геометрический параметр (для горизонтальных
труб l = 0,022);
 ts – температура конденсации, ̊С;
 tw – температура стенки, на которой конденсируется пар, ̊С.
Так как коэффициент теплоотдачи αк зависит от перепада температур в пленке конденсата Δtкон= ts – tw = Т1 – tст1, то тепловой расчет должен проводиться методом подбора температуры стенки tст1 со стороны конденсирующегося пара. Этот расчет сопряжен с решением системы уравнений:

, (2.12)

где rз1, rз1 – термические сопротивления загрязнений от углеводородов и от воздуха соответственно (таблица 7, приложения);
 δст – толщина стенки;
 λст – теплопроводность материала стенки.

(2.13)

(2.14)

; (2.15)

. (2.16)

;

;



Таблица 3 - Результаты расчета температур в зоне конденсации


 

 
153 17 19088 13 140 101 19361,7
152,8 17,2 19257 13 139,8 100,8 19231,4

Добившись удовлетворительной сходимости 0,13 % между значениями и (при температуре стенки 152,8°С), определяем необходимую площадь поверхности теплообмена в зоне конденсации по формуле:

  qср = 0,5 (q1 + q2) (2.17)

qср = 0,5(19257 + 19231,4) = 19244,2 Вт/м2

(2.18)

м2

2.5 Определение коэффициента теплоотдачи на участке охлаждения конденсата и поверхности теплообмена этого участка
 Коэффициент теплоотдачи на участке охлаждения зависит от режима движения продукта. Для развитого турбулентного режима движения коэффициент теплоотдачи рассчитывают по формуле:

(2.19)

Для предварительно выбранного аппарата число труб одного хода составляет n. Необходимо проверить режим движения продукта по трубам.
При объемном расходе:

(2.20)

м3/с

Скорость движения продукта в трубах будет равной:

(2.21)

м/с.
Критерии Рейнольдса и Прандтля определяются по формулам:

(2.22)

;

(2.23)

;

Вт/м2К.

Коэффициент теплопередачи в зоне охлаждения, отнесенный к наружной поверхности условно неоребренной трубы, рассчитывается по уравнению:

(2.24)

Вт/м2К.

Площадь поверхности теплообмена в зоне охлаждения составит:

(2.25)

где tср – средняя разность температур на участке охлаждения.

(2.26)

где – большая и меньшая разности температур на концах поверхности теплообмена и определяются по формулам:

, (2.27)

̊С;

, (2.28)

̊С;

̊С;

м2.

Суммарная площадь теплообмена поверхности по гладкой поверхности теплоообмена (по гладкой поверхности трубы у основания ребер) будет равна:

F = F1 + F2 , (2.29)

F = 71 + 167 = 238 м2 ;

м2.

По уточненному расчету проверить правильность предварительного выбранного аппарата. Определим запас поверхности теплообмена:

(2.30)



Так как запас поверхности теплообмена составляет 19 %, данный аппарат подходит.

















3 Аэродинамический расчет

3.1. Расчет аэродинамического сопротивления пучка труб.

Аэродинамическое сопротивление пучка труб определяется по формуле:

(3.1)

где ρв – плотность воздуха при его начальной температуре, кг/м3;
Wуз – скорость воздуха в узком сечении трубного пучка, м/с;
nв – число горизонтальных рядов труб в пучке (по вертикали);
dн = 0,028 м – наружный диаметр трубы;
Sр = 0,0035 м – шаг ребер.