UNIVERSITATEA PETROL-GAZE PLOIETI FACULTATEA TEHNOLOGIA PETROLULUI I PETROCHIMIEI SPECIALIZAREA INFORMATIC INDUSTRIAL CATEDRA INGINERIE CHIMIC I PETROCHIMICDIMENSIONAREA TEHNOLOGICA A UNUI SCHIMBATOR DE CALDURA CU FASCICUL TUBULARFACULTATEA TEHNOLOGIA PETROLULUI I PETROCHIMIEI1CONDUCATOR PROIECT: Sef lucrari Dr. Ing Loredana NegoitaSTUDENT: Raducu CorneliuPLOIETI 20102DATE DE PROIECTARE:Debitul de produs cald mc = 40t / h ; Temperatura produsului la intrare t c = 120 C ;1Temperatura produsului la ieire t c 2 = 45 C ; 20 Densitate produs cald d 4 = 0,850 ; Factor de caracterizare k = 11 ; Temperatura apei de rcire la intrare t r = 30 C ;1 Temperatura apei de rcire la ieire t r = 40 C ;2Cuprins:A.Introducere B.Bilan termic. C.Stabilirea geometriei aparatului. D.Verificarea coeficientului global de transfer de cldur: A.Calculul coeficientului parial de transfer de cldur la interiorul tuburilor. B.Calculul coeficientului parial de transfer de cldur la exteriorul tuburilor.3A.IntroducereSchimbtoarele de cldur sunt aparate (utilaje) n care se realizeaza procese (operaii) de transfer de cldur ntre dou fluide. Clasificarea schimbtoarelor de cldur se poate face din mai multe puncte de vedere, dintre care trei sunt mai importante: 1clasificarea dup procesul principal de transfer de cldur; 2clasificarea dup modul de contactare a fluidelor; 3clasificarea dup tipul constructiv al aparatului. Dup procesul principal de transfer de cldur, se deosebesc numeroase clase de aparate, c de exemplu: preincalzitoare, rcitoare, condensatoare, rcitoare-condensatoare, refierbatoare, vaporizatoare, cristalizatoare, recuperatoare regeneratoare (schimbtoare de cldur propriu-zise) etc. Dup modul de contactare al fluidelor,se deosebesc trei clase de aparate: schimbtoare de cldur de suprafa, schimbtoare de cldur prin contact direct (de amestec) i schimbtoare de cldur cu fluid intermediar staionar. 1Schimbtoarele de cldur de suprafa se caracterizeaz prin faptul c cele dou fluide care schimb cldur ntre ele sunt separate prin perei metalici, n majoritatea cazurilor cilindrici (tuburi ). Aceste schimbtoare sunt cele mai frecvent utilizate. 2Schimbtoarele de cldur prin contact direct nu conin perei despritori ntre fluide i cum fluidele vin n contact nemijlocit, transferul de cldur este insotit i de un proces de transfer de mas. 3Schimbtoarele de cldur cu fluid intermediar staionar sunt de concepie mai recent, se utilizeaz n cazuri practice caracteristice i prezint unele avantaje specifice. Ele se caracterizeaza prin faptul c transferul de cldur de la fluidul cald catre fluidul rece, care sunt n curgere continu prin schimbtor, este mijlocit de un fluid intermediar staionat n aparat. Dup tipul constructiv al aparatului se deosebesc numeroase clase de schimbtoare, principalele tipuri fiind: 1schimbtoare de cldur cu fascicul tubular n manta;42schimbtoare de cldur tub n tub; 3rcitoare i condensatoare cu serpentin scufundat; 4rcitoare i condensatoare cu serpentin stropit cu ap; 5schimbtoare de cldur cu plci; 6rcitoare i condensatoare cu aer; 7rcitoare i condensatoare prin contact direct. Schimbtoarele de cldur cu fascicul tubular n manta sunt cele mai utilizate tipuri de schimbtoare. Ele prezinta o arie specific de transfer de cldur relativ mare (18-40m/m, n raport cu 4-15m/m la schimbatoarele tub n tub) i un consum specific de metal relativ redus (35-80 kg/m, n raport cu aproximativ 175kg/m la schimbatoarele tub n tub). Schimbtorul de cldur cu fascicul tubular n manta se compune dintr-o manta cilindrica prevazut la extremiti cu flane, dou capace prevazute cu flane spre interior, dou plci tubulare care se fixeaz ( cu garnituri de etansare ) n placile tubulare. Acest schimbtor este rigid ( placi tubulare fixe n raport cu mantaua ), pentru c nu permite o dilatare sau contractare independent a tuburilor ( este solicitat mandrinarea ). Racordurile ( stuurile ) pentru fluidul care circula prin tuburi se afl la capac i acest fluid trece n parallel prin toate tuburile, intr-un singur sens. Mantaua conine tot dou racorduri, fluidul corespunzator circulnd longitudinal prin spaiul intertubular ( seciune de curgere constant ), n contracurent cu fluidul din tuburi. In partea superioar a schimbtorului, att la manta ct i la capace, exista dopuri cu filet pentru evacuarea iniial a aerului. La o condensare de vapori, vaporii intr n partea superioar, iar condensul este evacuat la partea inferioar ( la vaporizare circulaia se face de jos n sus ). Pentru fluidele fr transformare de faz, intrarea poate fi jos sau sus, iar ieirea, fie pe partea opus, fie uneori chiar pe aceeai parte. Alegerea trecerii fluidelor prin tuburi sau manta se face dupa urmatoarele criterii, care nu pot fi intotdeauna respectate: 1fluidul cu temperatur mai mare se trece prin tuburi, pentru a se reduce pierderea de cldur catre mediul ambient; 2fluidul cu debit volumic mai mare se trece prin manta; 3fluidul cu presiune mai mare se trece prin tuburi, acestea rezistnd la presiune mai uor dect mantaua; 4fluidul pentru care se dorete o cadere de presiune mai mica se trece prin manta; 5fluidul care depune mai multa murdarie pe suprafaa tuburilor se trece prin tuburi, pentru c acestea se cur mai uor n interior, prin demontarea capacelor; 6fluidul mai coroziv se trece prin tuburi, pentru c acestea pot fi nlocuite sau izolate mai uor. 5Creterea coeficientului de convecie n interiorul tuburilor se poate obine prin creterea vitezei fluidului ( acest avantaj este nsotit de dezavantajul creterii cderii de presiune ). Pentru creterea vitezei n tuburi, se introduc n camerele de distribuie ( sub capace ) icane, astfel ncat se obin dou sau mai multe pasuri ( treceri ) prin tuburi. Pentru majorarea vitezei fluidului din manta, pot fi utilizate icane longitudinale. In figura 3, prin prezenta unei astfel de icane, se realizeaza dou pasuri n manta. Se constat la acest schimbator, cu dou pasuri n manta i patru pasuri n tuburi, c global fluidele circula n sens invers ( unul de jos n sus i celalalt de sus n jos ). In majoritatea cazurilor practice, n manta se utilizeaza icane transversale segment de cerc, care duc n general la o curgere transversal apei n tuburi ( sectiunea de curgere este variabila; apar turbulente ce mbunatesc transferul de cldur; prin fixarea distanei dintre icane, se realizeaz viteza medie dorit pentru fluidul din manta ). Obinuit, icanele segment de cerc lasa libere ferestre orizontale, alternative sus i jos. La condensatoare i la schimbtoarele cu dou pasuri n manta se utilizeaz ferestre verticale. icanele transversale sunt solidarizate cu o placa tubular, prin intermediul unor tije i distaniere. La intrarea fluidului n manta este prevazut o plac deflectoare, care reduce ocurile asupra tuburilor.6B. BILAN TERMICPrincipalele date iniiale necesare pentru dimensionarea tehnologica a schimbtorului de cldur sunt: debitul masic al produsului petrolier i temperaturile acestuia la intrare i ieire din aparat, iar pentru apa temperatura de intrare i ieire.Aceste date sunt necesare pentru stabilirea fluxului termic schimbat i a debitului masic pentru ap. Pentru corelarea marimilor se utilizeaza relatia de bilan termic, se neglijeaz pierderile de caldura catre ambiant si se utilizeaz fie cldurile specifice medii, fie entalpiile specifice ale fluidelor:Q pr . = Qced . = m r * c pr * (t r2 t r1 ) = m c * c pc * t c1 t c2 = m c * (i()t c1itc 2), Wmr , mc debit de ap, respectiv de produs petrolier, kg/s;cldur specific a apei, respectiv a produsului petrolier, j / kg C ;t c1 tc1 t r1 tr2 , temperatura produsului la intrare, respectiv la ieire , C ;c p r , c pc , temperatura apei de rcire la intrare, respectiv la ieire, C;i c1 , i c 2 entalpia produsului petrolier la temperaturat t7de intrare i ieire, j / kg ; La temperatura medie a apei se citesc prin interpolare rmatoarele proprieti fizice: densitatea , cldura specific c p , conductivitatea termic , vscozitatea dinamic .tm = t r1 + t r 2 30 + 40 = = 35 2 2 Proprietatile apei la t m = 35 C3 Densitatea , kg / m993,95cldur specific c p , j / kg C , vscozitatea dinamic , kg / m * s conductivitatea termic , W / m C Propriettile produsului petrolier se calculeaza la temperatura medietm = 120 + 45 = 82,5 2tm = t c1 + t c2 241737,277 *10 4 0,625cu relatiile: = 10 3 * d 420 *[1 t m 2020 42290 6340 * d+ 5965 * d20 2 4], kg / m 3. = 10 3 * 0.850 * [1 82,5 20 ] = 806,12kg / m 3 2 2290 6340 * 0,850 + 5965 * 0,85015 15 c p = [( 2,964 1,332 * d 15 ) + (0,006148 0,002308 * d 15 ) * t ] * (0,0538 * k + 0,3544 ), kj / kg Cc p = [(2,964 1,332 * 0,85398) + (0,006148 0,002308 * 0,85398) * 82,5] * (0,0538 * 11 + 0,3544) c p = 2054,29kj / kg C15 20 d15 = 0,9952 * d 4 + 0,00806 . 15 d 15 = 0.853988 = * , kg / m * s . =[101,766 10 6 * k x 29,263] * * exp , m2 / s 15 0 , 525 (k * d15 ) x t + 273 . =[101,766 10 6 *11 1263,91 29,263] * * exp = 6,49 *10 7 m 2 / s 0 , 525 1263,91 82,5 + 273 (11* 0,85398) 15 x = exp[ 4,717 + 0,0029254 * (k * d 15 ) 3 ].x = exp[ 4,717 + 0,0029254 * (11* 0,85398) 3 ] = 1263,91 = 806,12 * 6,49 * 10 7 = 5,24 * 10 4 kg / m * s0,1172 6,33 *10 5 * t = ,W / m C 15 d 15 .=0,1172 6,33 * 10 5 * 82,5 = 0,131W / m C 0,85398 Proprietatile produsului petrolier la t m = 82,5 C3 Densitatea , kg / m806,12cldur specifica c p , j / kg C , viscozitatea dinamica , kg / m * s conductivitatea termica , W / m CQ = Q pr . = Qced . = mc * i c1 i c2 W2054,295,24 *10 4 0,131t(t).Entalpia produsului petrolier se calculeaz la temperatura de intrare i iesire, cu relaia:15 15 i t = [(2,964 1,332 * d15 ) * t + (0,003074 0,001154 * d15 ) * t 2 ] * (0,0538 * k + 0,3544)kj / kgi it c1= 235844 j / kg . = 81772 j / kg .tc29i c1 , i c2 = entalpia produsului petrolier la temperatura de intrare i iesire, j / kg ;ttFluxul termic schimbat este:Q= 30 * 10 3 * ( 235844 81772 ) = 1711,9kW 3600 .Debitul de produs rece:mr =Q = m r * c pr * (t r2 t r1 ) = > Q 1711,9 *10 3 = = 41,02kg / s c pr * (t r2 t r1 ) 4173 * (40 30).C. STABILIREA GEOMETRIEI APARATULUISe admite un schimbtor cu cap mobil, cu un pas n manta i patru pasuri n tuburi, fluidul care circula prin tuburi este apa, iar cel care circul prin manta este produsul petrolier. Aria de transfer de cldur se calculeaza din relaia:Q = k ' ed * A ' e * t m = > A ' e = Q = 1711,9kW .k ' ed (250 350)W / m 2 C .Q , m2 k ed * t m .'Se presupune coeficientul global de transfer de cldurk ' ed = 270W / m 2 C .10Diferenta medie de temperatura se calculeaza astfel:t m = M ,C t cc + t cr + M ln t cc + t cr M .2 2M = t c + t r , C.Diferenta de temperatura cu care se raceste fluidul cald :t c = t c1 t c2 , C.Diferenta de temperatura cu care se incalzeste fluidul rece:t r = t r2 t r1 , C.Diferenta maxima de temperatura dintre fluide:t cc = t c1 t r2 , C.Diferenta minima de temperatura dintre fluide:t cr = t c2 t r1 , C. .t c = 120 45 = 75 Ct r = 40 30 = 10 C .t cc = 120 40 = 80 C t cr = 45 30 = 15 C..M = 75 2 + 10 2 = 75.66 C .11t m =75,66 = 34,77 C 80 + 15 + 75,66 ln 80 + 15 75,66 .Aria de transfer de cldur este:1711,9 * 10 3 Ae = = 182,48m 2 270 * 34,77 .'Se aleg dimensiunile tuburilor i modul de aezare a tuburilor n fascicul conform [1]: d e = 25mm; d i = 20mm; s = 32mm; Lt = 6mA ' e = * d e * Lt * nt = > nt =' 'Ae * de * L .'Se calculeaza numarul total de tuburi:nt ='182,48 = 387,24tuburi * 0,025 * 6 .Din tabelele de tipizate a fasciculelor tubulare [1], se alege:nt = 412tuburi.(asezare.) n p = 4;; Di = 0,8m .Recalcularea ariei:Ae = * d e * Lt * nt = * 0,025 * 6 * 412 = 194,15m 2.Se calculeaz viteza fluidului n tuburi (apa), cu ajutorul relaiei:wapa = mr d n * * i * t 4 np2,m/ s.12wapa =41,02 = 1,275m / s 0,020 2 412 993,95 * * * 4 4D. VERFICAREA COEFICIENTULUI GLOBAL DE TRANSFER DE CALDURVerificarea coeficientului global de transfer de cldur se face cu relaia:k ed = ( 1 1 ,W / m 2 C de de de 1 + Rdi ) * + * ln + Rde + d i 2 * 0 di e,corectat i ,corectat. i ,corectat = i ,calculat * ( ) 0,14 ,W / m 2 Cp.viscozitatea dinamica la temperatura caloric a apei de rcire, respectiv la temperatura peretelui, kg / m * s ; e,corectat = e ,calculat * ( ) 0,14 ,W / m 2 Cp, p =.viscozitatea dinamic la temperatura caloric a produsului petrolier, respectiv la temperatura peretelui, kg / m * s ;Rdi , Rde =2 rezistenele termice specifice depunerilor, m C / W ;, p =0 = conductivitatea termic a peretelui, W / m 2 C ;Temperatura peretelui se calculeaza astfel13Q = e * Ae * (t c t p ) Q = k e * Ae * (t c t r )ke =t p = tc +ke * (t c t r ), C Ae .1 ,W / m 2 C 1 de 1 * + i di e .Se stabilesc temperaturile calorice ale celor dou fluide:t c = t c2 + Fc * (t c1 t c2 ), C t r = t r1 + Fc * (t r2 t r1 ), C..tc tr = , temperatura caloric a produsului petrolier, respectiv a apei, C ;t c1 t c1 =, temperatura produsului la intrare, respectiv la ieire , C;t r1 t r2 =,temperatura apei de rcire la intrare, respectiv la ieire,C; Fc =Fc =t ml t cr t cc t cr .factorul caloric;t cc = diferenta maxima de temperatura dintre fluide, C ;t cr = diferenta minima de temperatura dintre fluide, C ;t cc = 120 40 = 80 C.14t cr = 45 30 = 15 C.t ml =t cc t cr 80 15 = = 38,82 C t cc 80 ln ln t cr 15 .Fc =38,82 15 = 0,3666 80 15 .t c = 40 + 0,358 * (120 45) = 72,49 C t r = 30 + 0,358 * (40 30) = 33,58 C ..Utilizdu-se temperaturile calorice calculate se calculeaz propriettile fizice pentru apa si pentru produsul petrolier: Proprietile apei la t r = 33,58 C 3 Densitatea , kg / m993,81cldur specifica c p , j / kg C , viscozitatea dinamica , kg / m * s conductivitatea termica , W / m C4173 7,22 * 10 4 0,626 Proprietile produsului petrolier la t c = 72,49 C3 Densitatea , kg / m813,14cldur specifica c p , j / kg C , viscozitatea dinamica , kg / m * s conductivitatea termica , W / m C2014,755,85 *10 4 0,13115A.CALCULUL COEFICIENTULUI PARTIAL DE TRANSFER DE CALDUR LA INTERIORUL TUBURILORPentru calculul coeficientului de convecie interior, se folosete relaia:Nu = 0,027 * Re 0,8 * Pr 1 / 3 * ( p)0 ,14.Proprietile fizice ale apei se iau la temperatura caloric, calculate mai sus. Viteza de curgere a apei prin tuburi :w= mr d n * * i * t 4 np2,m/ s.w=41,02 = 1,27 m / s 0,020 2 412 993,81 * * * 4 4 .Se calculeaza valoarea criteriului Re:Re = di * w * .0,020 *1,27 * 993,81 = 34843,68 7,22 *10 4 .Re =Criteriul Prandtl are expresia:Pr = cp * .16Pr =4173 * 7,22 *10 4 = 4,85 0,626 .Nu = 0,027 * 34843,68 0,8 * 4,851 / 3 = 196,74 . p 0 ,14=1Pentru simplificare se ia factorul de corecie Coeficientul de convecie interior va fi deci:i =.Nu * 196,74 * 0,626 = = 6148,27W / m 2 C di 0,020 .B.CALCULUL COEFICIENTULUI PARTIAL DE TRANSFER DE CALDURA LA EXTERIORUL TUBURILORPentru calculul coeficientului de convecie exterior, se folosete relaia:Nu = c * Re n * Pr 1 / 3 * ( p)0 ,14.Proprietile fizice ale produsului petrolier se iau la temperatura caloric, calculate mai sus.w= mc ,m/ s * Sc .Viteza de curgere a fluidului, necesar n Re, se calculeaz pentru seciunea:S c = x * (s d e ) * Di , m2 s .17x = distana dintre icane; s = pasul tuburilor pe irurile transversale pe direcia curgerii;Di =diametrul interior al mantalei, m ;x = 0,4 .In criteriile Re i Nu se utilizeaz c lungime caracteristic diametrul echivalent, definit prin relaiad ech = 1,1027 * s2 de , m de .d ech0,032 2 = 1,1027 * 0,025 = 0,02m 0,025 .0,8 = 0,07 m 2 0,032 .Sc = 0,4 * (0,032 0,025) *w=11,11 = 0,195m / s 813,14 * 0,07 .Criteriile Re i Prandtl:Re = d ech * w * .cp * Pr =.Re =0,02 * 0,195 * 813,14 = 5468,67 5,85 *10 4 .2014,75 * 5,85 *10 4 Pr = = 8,94 0,131 .18Valorile constantei c i exponentului n se iau n funcie de valoarea criteriului Re [1].c = 0,491; n = 0,51 .Nu = 0,491 * 5468,67 0,51 * 8,941 / 3 = 82,14 . p 0,14=1Pentru simplificare se ia factorul de corecie Coeficientul de convecie exterior va fi deci:e =.Nu * 82,14 * 0,131 = = 537,11W / m 2 C d ech 0,020 .1 = 484,23W / m 2 C 3 1 25 * 10 1 * + 3 5204,56 20 * 10 467,67 . 420,44 * (74,8 35,4) = 110,22 C 467,67 .ke =t p = 74,8 +4 i , corectat = 6148,27 * (5,25 * 104,05 * 10 4)0,14 = 6472,66W / m 2 C.4 e, corectat = 537,11 * (5,85 * 104,05 * 10 4) 0,14 = 565,45W / m 2 C.0 = 40W / m C .Rdi = 0,0003m 2 C / W Rde = 0,0005m 2 C / W. .ked =1 = 344,07W / m 2 C 1 0.025 0.025 0.025 1 ( + 0,0003) * + * ln + 0,0005 + 6472,66 0.020 2 * 40 0.020 565,4519Cu valoarea k ed calculata se stabilete Ae,nec i se exprim procentual supradimensionarea aparatului, prin relaia:S= Ae Ae, nec Ae, nec * 100.Q , m2 k ed * t m .Q = k ' ed * Ae, nec * t m = > Ae, nec =Ae , nec =1711,9 = 188,332 m 2 344,07 * 33,66 .Ae = * d e * Lt * nt = * 0,025 * 6 * 412 = 194,15m 2 S= 194,15 188,332 *100 = 3,089 194,15 ..BIBLIOGRAFIE1.Dobrinescu, D., Procese de transfer termic i utilaje specifice, Ed. Didactica i Pedagogica, Bucuresti, 1983.202.Stefanescu,D., s.a., Transfer de cldur i masa, teorie i aplicatii, E Ed. Didactica i Pedagogica, Bucuresti, 1983. 3.Dobrinescu, D., Procese calorice, Ed. IPG, Ploiesti, 1980. 4.Dobrinescu, D., s.a., Procese de transfer de cldur. Aplicatii numerice, Ed. IPG, Ploiesti, 1995. 5.Suciu, Gh., IPH, vol I, Ed. Tehnica, Bucuresti, 1983.2122