POLITECHNIKA POZNAŃSKA Wydział Technologii Chemicznej Instytut Technologii i inżynierii Chemicznej Zakład Inżynierii i Aparatury Chemicznej
PROJEKT WYMIENNIKA CIEPŁA
Rok akademicki 2009/2010	Rok studiów III	Nr. projektu 35	Data oddania 06.01.2010
Wykonał	Sprawdził	Zwrot	Ocena
	dr S. Różańska
TEMAT PROJEKTU Zaprojektować płaszczowo rurowy wymiennik ciepła do podgrzewania mieszaniny gazów (23% CH4, 77% N2) od temperatury 40 ^oC do temperatury 90 ^oC przy użyciu gazów spalinowych (73%N2, 8%H2O, 19%CO2) o temperaturze 200 ^oC . Masowe natężenie przepływu dostarczanej mieszaniny gazów wynosi 5000 kg/h..
UWAGI

Dokumentacja techniczna wymiennika ciepła.

1.Strona tytułowa

2.Charakterystyka techniczna aparatu

3. Strony obliczeniowe

4. Spis treści

5.Wykaz oznaczeń z jednostkami

6.Spis cytowanej literatury

7.Rysunek ofertowy

Charakterystyka techniczna aparatu

1.1.Zastosowanie.

Zaprojektowano aparat służący do podgrzewania mieszaniny gazów (23% CH4, 77% N2) od temperatury 40 ^oC do 90 ^oC przy użyciu gazów spalinowych (73% N2, 8%H2O, 19% CO2) o temperaturze 200 ^oC. Masowe natężenie przepływu wlotowego wynosi 5000kg/h. Zastosowano wymiennik płaszczowo-rurowy.

1.2. Schemat ideowy aparatu

1.3. Rozwiązanie konstrukcyjne.

Zastosowano przeciwprądowy wymiennik płaszczowo - rurowy ze stałymi dnami sitowymi. Do budowy zastosowano rurki Φ 16 x 2 , rurki rozmieszczono w układzie heksagonalnym o podziałce

t =21mm. Wszystkie elementy wykonano ze stali St3S.

1.5. Rodzaj stosowanego materiału.

Wymiennik ciepła pracuje w niskiej temperaturze i mało agresywnym środowisku dlatego użyto do budowy stal St3S , którą można stosować do T=573K.Zaproponowano poziome ustawienie wymiennika.

2. Parametry opisujące właściwości czynnika.

2.1 Mieszanina gazów (CO2, H2O, N2) A

2.1.1. Lepkość.

T [^oC]	200	140
η[Pa*s]	2,33E-05	2,1E-5
[Pa*s]	2,19E-5

2.1.2. Gęstość.

T [^oC]	200	140
ρ [kg/m^3]	0,773	0,886
[kg/m^3]	0,8357

2.1.3. Ciepło właściwe.

T [^oC]	200	140
Cp [J/kg*K]	1121,2	1111,4
Cp [J/kg*K]	1123,3

2.1.4. Współczynnik przewodzenia ciepła.

T [^oC]	200	140
λ[W/m*K]	0,0421	0,0368
[W/m*K]	0,0407

2.2. Mieszanina (CH4, N2) B

2.2.1. Lepkość.

T [^oC]	40	90
η[Pa*s]	1,65E-5	1,92E-5
[Pa*s]	1,88E-5

2.2.2. Gęstość.

T [^oC]	40	90
ρ [kg/m^3]	0,898	0,757
[kg/m^3]	0,8777

2.2.3. Ciepło właściwe.

T [^oC]	40	90
Cp [J/kg*K]	1510,2	1578
Cp [J/kg*K]	1337,8

2.2.4. Współczynnik przewodzenia ciepła.

T [^oC]	40	90
λ[W/m*K]	0,0348	0,0426
[W/m*K]	0,0367

Dane	Obliczenia			Wynik
3. Bilans cieplny.
TA1=473[K]] TA2=413[K] GA=1,152[kg/s] CpA=1123,3[J/kg*K]	3.1.Średnie ciepło właściwe mieszaninyA CpA(TA1)-ciepło właściwe mieszaniny w T=473[K] z [1] CpA(TA2)-ciepło właściwe mieszaniny w T=413 [K] z [1]			CpA=1123,3[J/kg*K]
		3.2. Średnie ciepło właściwe miesz.B CpB(TB1)-ciepło właściwe mieszaniny w T=313[K] z [1] CpB(TB2)-ciepło właściwe mieszaniny w T=363[K] z [1]			CpB=1337,8 [J/kg*K]
		3.3.Ilośc ciepła wymienianego Q = GA* *(TA1-TA2)			Q=1294,04[J/s]
TB1=313[K] TB2=363[K] Q=1294,04 [J/s] CpB=1377,8[J/kg*K]	3.4.Masowe natężenie przepływu mieszaniny B			GB=0.939[kg/s]
Dane		Obliczenia		Wynik
4.Moduł napędowy procesu.
TA1=473[K] TA2=413[K] TB1=313[K] TB2=363[K]	Jako rozwiązanie konstrukcyjne zastosowano układ przeciwprądowy. TA1 TA2 TB2 TB1 ΔT­­1=T­A1-TB2 ΔT2=TA2-TB1			ΔT1=150[K] ΔT2=50[K] ΔTm=100[K]
	5.Sprawdzenie założonej temperatury.
TA1=473[K] TA2=413[K] TB1=313[K] CpA=1123,3[J/kg*K] CpB=1377,8[J/kg*K] GA=1,152[kg/s] GB=0,939[kg/s]				TB2=373[K]
6.Ilośc rurek.
	6.1 Powierzchnia przekroju rurek. Do budowy wymiennika użyto rurki stalowe o wymiarach Φ = 16 x 2 mm zgodnie z normą BN - 80/2251-10 i założona prędkość przepływu mieszaniny gazów wynosi ωA = 25 [m/s]
Dane	Obliczenia			Wynik
ωA = 25 [m/s] GA=1,152[kg/s] = 0,8357 [kg/m^3]	6.2. Pole przekroju rurek. ρA - gęstość mieszaniny w temperaturze średniej			fA = 0,0551 [m^2]
dZ = 0,016 [m] s1 = 0,002 [m] t = 0,021 [m] ωA = 25 [m/s] fA =0,0551 [m^2] dw = 0,012 [m]	6.3. Ilość rurek w oparciu o normy dw = dz - 2s dw - średnica wewnętrzna rurek Przyjęto ilość rurek równą i= 607 na podstawie normy BN 80/2251-04			dw = 0,012 [m] i = 487,4 i = 517
7. Średnica wymiennika.
t=0,021[m] D'=0,562[m] D”=0,583[m]	D/t=24 D=t*24 D'=D+dz D”=D'+t D“=0, 541 Na podstawie normy BN-64/2201-05 przyjęto najbliższą wyższą średnicę aparatu Dw=0,6			D=0,504[m] Dw =0,6 [m]
8.Sprawdzenie założonej prędkości dla mieszaniny.
dw = 0,012 [m] GA=1,152[kg/s] i =517 fr = 0,000113 [m^2] V = 1,39[m^3/s] F = 0,0584 [m^2]	F = fr * i <30 Spełniony jest warunek ωA<8;30>			fr =0,000113 [m^2] V = 1,39 [m^3/s] F = 0,0584 [m^2] ωA = 24 [m/s]
9.Równanie kryterialne.
ωA =24 [m/s] dw = 0,012 [m] ηA = 2,19*10^-5 [Pa*s] ρA = 0,8357 [kg/m^3] CpA=1123,3 [J/kg*K] λA = 0,0407 [W/m*K] ReA = 1,10*10^4 PrA = 0, 604 NuA = 32,15 λA = 0,0407[W/m*K] dw = 0,012 [m]	9.1 Dla mieszaniny A 9.1.1.Liczba Reynoldsa ReA ηA - współczynnik lepkości dla mieszaniny w temperaturze średniej ρA - gęstość dla mieszaniny w temperaturze średniej 9.1.2.Liczba Prandtla PrA λA - współczynnik przewodzenia ciepła w temperaturze średniej 9.1.3.Liczba Nusselta NuA 9.1.4.Współczynnik wnikania ciepła αA			ReA = 1,10*10^4 PrA = 0,604 NuA = 32,15 αA= 109,04[W/m^2*K]
Dane	Obliczenia			Wynik
	9.2.Dla mieszaniny B
Dw = 0,6 [m] GB=0,939 [kg/s] ρB =0,8777 [kg/m^3] fB = 0, 2566 [m] dz = 0,016 [m] i =517 ωB = 1,07 [m/s] de = 0,0198 [m] ηB = 1,88*10-^5 [Pa s] CpB=1377,8 [J/kg*K] λB = 0,0367 [W/m*K] ReB = 0,989*10^3 PrB = 0,706 NuB =4,98	9.2.1.Prędkość liniowa dla mieszaniny B 9.2.2.Liczba Reynoldsa ReA de - średnica ekwiwalentna 9.2.3.Liczba Prandtla PrB 9.2.4. Liczba Nusselta NuB 9.2.5. Współczynnik wnikania ciepła αB			fB =0,2566 [m] ωB = 1,07 [m/s] de = 0,0198 [m] ReB = 0,989*10^3 PrB = 0,706 NuB = 4,98 αB = 9,23 [w/m^2K]
Dane	Obliczenia			Wynik
10.Współczynnik przenikania ciepła.
αA= 109,04[W/m^2*K] αB = 9,23 [W/m^2*K] λ=46,7[W/m*K] s=0,002[m]			K=0,17
	11.Teoretyczna powierzchnia wymiany ciepła.
Q=1294,4 [J/s] K=0,17 ∆Tm=100[K]			Ft=76,14[m^2]
	12. Długość rurek.
Ft=76,14 [m^2]	12.1 Powierzchnia rzeczywista. Frz=Ft+0,3Ft		Frz=98,98[m^2]
dz = 0,016[m] dw = 0,012 [m]	12.2 Powierzchnia jednostkowa rurek. dx=dz Fm=Πidm		Dx=0,016[m] Fm=22,72[m^2]
Frz=98,98 [m^2] Fm=22,72 [m]	12.3 Długość rurek .		H=4,35[m]
Dane	Obliczenia		Wynik
H=4,35[m] D=0,6[m]	13. Warunek smukłości. H/D=7,26		H/D=7,26
	14. Grubość powłoki cylindrycznej.
DZ=0,608 [m] gdz=0,004[m] Hw=0,086 [m] d=0,1 [m] Re=1,78*10^8[N/m^2] Xe=1,8 god=3,34*10^-4 [m] C=0,0015 [m] Pow=1013[hPa] Dw=0,6[m] gd=0,004[m] Zr=0,092 a=1 k=8,84*10^7 c2=0,001[m] g=0,004[m] a=1 p=1013[hPa] Re=1,78*10^8[N/m^2] Xe=1,55 Τ=10 lat S=10^-4 [m/rok] c1=0,0005 c2=0,001 [m] η'=27 t=0,021[m] dz=0,016[m] Dw=0,6[m] Ø=0,27 P=1013[hPa] K'=11,5*10^7[N/m^2] c1=0,0005 [m] c2=0,001 [m] Dz=0,608[m] Dw=0,6[m] H=2[m] Fst=7850[kg/m^3] dz=0,016[m] Dz=0,608[m] dw=0,012[m] i=607 H=2	14.1. Dopuszczalne natężenie na rozciąganie Na wykonanie zbiornika wybieram arkusz blachy o g=0,004[m] Jako dennicę przyjmuję dno o małej wypukłości stalowe tłoczone wg PN-69/M-35413 Dw=0,6[m] hw=0,086[m] Zakładam grubość ścianki dennicy na gdz=0,004[m] DZ= Dw+2 gdz DZ=0,608 HZ=0,09 [m] w=2,04 Przyjmuję y=3,92 Przyjmuję z=1 Obliczam współczynnik K god=3,34*10^-4 [m] Obliczanie rzeczywistej grubości ścianki dennic gd=god+C gd=0,004 Wyznaczanie największej średnicy otworu w dnie zbiornika nie wymagającego wzmocnienia Zr=0,092 d1=0,09 [m] Re dla stali St3S wynosi 1,78*10^8[N/m^2] Współczynnik wytrzymałości „z” dla jednostronnej spoiny czołowej z podspawaniem z=0,8 gO=2,02*10^-3 [m] Obliczanie rzeczywistej grubości ścianki Naddatek c1 na minusową odchyłkę blachy przyjmuję c1=0,0005 Naddatek na korozję obliczam ze wzoru c2=s*τ c2=0,001 [m] Aparat będzie pracować w pozycji pionowej więc nie zakładam dodatkowych naprężeń. c3=0 Obliczam całkowity naddatek grubości płaszcza c= c1+ c2+ c3 c=0,0015 [m] Obliczam płaszcz z naddatkami gc=go+c gc=2,17*10^-3 [m] Obliczenia grubości dna sitowego Ø=0,27 gs=1,32*10^-2[m] Przyjmuję grubość dna sitowego na podstawie normy BN-69/225106 gs=0,02[m] Dobór armatury na podstawie norm Dobór kołnierza Na podstawie normy BN-67/H-74722 Dobrano kołnierz DnomK=0,6m Wyznaczenie wielkości króćców Średnica nominalna króćca czynnika A Na podstawie normy BN-16/2211-40 dobrano króciec Dnom=0,032 [m] Średnica nominalna króćca czynnika B Na podstawie normy BN-16/2211-40 dobrano króciec Dnom=0,05 [m] Obliczanie masy aparatu Map=mp+2md+mr+mds+2(mkrA+mkrB)+4mkoł a)masa płaszcza mp=119,1[kg] b) masa króćca mkr=11,9[kg] c)masa dna sitowego d) Masa rurek e) masa kołnierza mkoł=177,2[kg] f) masa dennic md=38 [kg] Masa zalanego aparatu Mc=mA+Mb+Map masa czynnika B Mc=434,3[kg] Wyznaczanie wielkości łap Zbiornik będzie umocowany za pomocą 3 łap W=100 Łapy dobrano według normy BN-64/2212-02 Łapy nie wymagają wzmocnienia.		K'=9,89*10^7[N/m^2] g=0,04 [m] Zr=0,092 d1=0,09 [m] K'=11,5*10^7[N/m^2] gO=2,02*10^-3 [m] c=0,0015 [m] Ø=0,27 gs=1,32*10^-3[m] gs=0,02[m] DnomK=0,6m Dnom=0,032 [m] Dnom=0,05 [m] mkoł=177,2[kg] md=38 [kg] Mc=434,3 [kg] W=100

16. Spis treści Strona

1.Charekterystyka techniczna aparatu 3

1.1.Zastosowanie. 3

1.2. Schemat ideowy aparatu 3

1.3.Rozwiązanie konstrukcyjne. 4

1.4.Opis działania. 4

1.5. Rodzaj stosowanego materiału 4

1.6.Inne szczegóły. 4

2. Parametry opisujące właściwości czynnika. 5

2.1.Mieszanina A 5

2.1.1. Lepkość. 5

2.1.2 Gęstość. 5

2.1.3. Ciepło właściwe 5

2.1.4. Współczynnik przewodzenia ciepła. 5

2.2. Mieszanina B 6

2.2.1. Lepkość 6

2.2.2.Gęstość 6

2.2.3.Ciepło właściwe 6

2.2.4.Współczynnik przewodzenia ciepła 6

3.Bilans cieplny 7

3.1.Średnie ciepło właściwe mieszanina 7

3.2. Średnie ciepło właściwe powietrze 7

3.3.Ilość ciepła wymienianego 7

3.4.Masowe natężenie przepływu 7

4.Moduł napędowy procesu. 8

5.Sprawdzenie założonej temperatury. 8

6.Ilośc rurek. 8

6.1 Powierzchnia przekroju rurek. 8

6.2. Pole przekroju rurek. 9

6.3. Ilość rurek w oparciu o normy 9

7. Średnica wymiennika. 9

8.Sprawdzenie założonej prędkości dla mieszaniny 9

9.Równanie kryterialne. 10

9.1 Dla mieszaniny A 10

9.1.1.Liczba Reynoldsa Re_A 10

9.1.2.Liczba Prandtla Pr_A 10

9.1.3.Liczba Nusselta Nu_A 10

9.1.4.Współczynnik wnikania ciepła α_A 10

9.2.Dla mieszaniny B 11

9.2.1.Prędkość liniowa 11

9.2.2.Liczba Reynoldsa Re_A 11

9.2.3.Liczba Prandtla Pr_B 11

9.2.4. Liczba Nusselta Nu_B 11

9.2.5. Współczynnik wnikania ciepła α_B 11

10.Współczynnik przenikania ciepła. 12

10.1.Temperatura ściany 12

10.2 Współczynnik przenikania ciepła 12

11.Teoretyczna powierzchnia wymiany ciepła. 12

12. Długość rurek. 12

12.1 Powierzchnia rzeczywista. 12

12.2 Powierzchnia jednostkowa rurek. 12

12.3 Długość rurek . 12

13. Warunek smukłości. 13

14. Grubość powłoki cylindrycznej. 13

14.1. Dopuszczalne natężenie na rozciąganie. 13

14.2 Obliczeniowa grubość powłoki 13

14.3 Rzeczywista grubość powłoki. 13

14.4.Sprawdzenie wytrzymałości powłoki ze względu na sztywność. 14

15.Obliczenia konstrukcyjno - wytrzymałoąściowe. 14

15.1 Dobór materiału 14

15.2 Obliczenie średnicy otworów w ścianie płaszcza

dennicy nie wymagającej wzmocnienia 15

15.2.1.Dla dennicy 15

15.2.2.Dla płaszcza 16

15.3. Obliczenie grubości dna sitowego. 16

15.4. Dobór aparatury na podstawie norm. 17

15.4.1. Króćce. 17

15.4.2.Króciec z kołnierzem przypawanym okrągłym z szyjką.18

15.4.3. Króciec z kołnierzem luźnym. 19

15.4.4. Kołnierz kryzowy. 20

15.4.5. Uszczelki. 21

15.5.Określenie masy aparatu. 22

15.5.1.Pustego. 22

15.5.2.Zalanego. 22

15.6.Dobór wielkości łap 23

16. Spis treści 24

17.Wykaz oznaczeń z jednostkami 26

18.Wykaz literatury 28

19. Rysunek ofertowy

17.Wykaz oznaczeń z jednostkami

a - współczynnik według tablic

c₁ - naddatek grubości blachy ze względu na minusową

odchyłkę blachy [m]

c₂ - naddatek grubości blachy ze względu na korozję [m]

c - całkowity naddatek grubości blachy [m]

Cp_A(TA1) - średnie ciepło właściwe mieszaninyA w temp. TA1 [J/kg*K]

- średnie ciepło właściwe mieszaniny [J/kg*K]

Cp_A(TA2) - średnie ciepło wł. mieszaninyA w temp. TA2 [J/kg*K]

Cp_B(TB1) - średnie ciepło wł. mieszaninyB w temp. TB1 [J/kg*K]

Cp_B(TB2) - średnie ciepło wł. mieszaninyB w temp. TB2 [J/kg*K]

- średnie ciepło właściwe mieszaninyB [J/kg*K]

d_w - średnica wewnętrzna rurek [m]

D_w - średnica wewnętrzna wymiennika [m]

d_z - średnica zewnętrzna rurek [m]

D_z - średnica zewnętrzna wymiennika [m]

F -powierzchnia rurki [m²]

f_A -pole przekroju rurek [m²]

f_m - przekrój przestrzeni międzyrurowej [m²]

F_m - powierzchnia jednostkowa rurek [m²]

f_r - powierzchnia przekroju rurki [m²]

F_rz - powirzchnia rzeczywista rurek [m²]

F_t - teoretyczna powerzchnia wymiany cipła [m²]

f_w - przekrój wewnętrzny rurki [m²]

g - rzeczywista grubość powłoki [m]

G_A - natęrzenie przepływu mieszaninyA [kg/s]

G_B-masowe natężenie przepływu mieszaninyB [kg/s]

g_sz - wytrzymałość powłoki ze względu na sztywność

H-długość rurek [m]

i -ilość rurek

i'-liczba rurek w rzędzie zerowym

k' - dopuszczalne natężenie na rozciąganie [N/m²]

K-współczynnik przenikania ciepła [W/m²K]

m₁-masa króćca w dennicy [kg]

m₂- masa króćca w płaszczu [kg]

m_A - całkowita masa mieszaniny w wymienniku [kg]

m_d- masa dennicy [kg]

m_kk-masa kołnierza kryzowego [kg]

M_p-całkowita masa pustego wymiennika [kg]

m_r-całkowita masa rurek [kg]

m_w -całkowita masa wody w wymienniku [kg]

Nu_A - liczba Nusselta dla mieszaninaA

P - pojemność dennic [m³]

p_ow - ciśnienie obliczeniowe [Pa]

p_r - ciśnienie robocze [Pa]

Pr_A - liczba Prandtla dla mieszaninyA

Pr_B - liczba Prandtla dla mieszaninyB

Q - ilość ciepła wymienianego [J/s]

q^v - przyspieszenie ziemskie [m/s²]

Re - granica plastyczności [N/m²]

Re_A - liczba Reynoldsa dla mieszaninaA

Re_B - liczba Reynoldsa dla mieszaninyB

s - grubość ścianki płaszcza [m]

s₁ - grubość ścianki rurek [m]

t - podziałka [m]

T_A1 - temp. opuszczającego wymiennik [K]

T_A2 - temp. mieszanina wchodzącego do wymiennika [K]

T_B1 - temp. powietrza opuszczającej wymiennik [K]

T_B2 - temp. powietrza wchodzącej do wyminnika [K]

V - objętościowe natęrzenie przepływu [m³/s]

X_e - współczynnik bezpieczeństwa

Z_dop ­­- dopuszczalny współczynnik wytrzymałości szwu

α' - współczynnik poprawkowy

α_A - wspólczynnik wnikania ciepła dla mieszaninyA [W/m²*K]

α_B - wspólczynnik wnikania ciepła dla mieszaninyB [W/m²*K]

ΔT_m - średnia temperatura ścianki rurki [K]

η_A - lepkość mieszanina [Pa*s]

η_B - lepkość powietrza [Pa*s]

λ_A - współczynnik przewodzenia ciepła dla mieszaninyA [W/m*K]

λ_B - współczynnik przewodzenia ciepła dla mieszaninyB [W/m*K]

ρ_A - gęstość mieszaninyA [kg/m³]

ρ_B - gęstość mieszaninyB [kg/m³]

ρ_st - gęstość stali [kg/m³]

ω_A - założona prędkość przepływu mieszaninyA [m/s]

ω_B - prędkość przepływu mieszaninyB [m/s]

18.Wykaz literatury:

1. L. Broniarz - Press, J.Różański, S.Woziwodzki

„Inżynieria chemiczna i procesowa - procesy wymiany ciepła”

2. L.W. Kurmaz „Podstawy konstrukcji maszyn - projektowanie”

22

---