Расчет кожухотрубчатого теплообменника

1. Расчет кожухотрубчатого теплообменника

 

Тип аппарата-кожухотрубчатый;

1. Определим расход теплоты  и расход растительного масла в межтрубном пространстве. Примем индекс «1» для растительного масла в межтрубном пространстве, индекс «2» -для растительного масла в трубном пространстве.

Предварительно найдем среднюю  разность температур:

                 230                      110                  

                 40                    147

              ∆t_б = 190          ∆t_м = 37

 

Средняя разность температуры:

   ∆t_ср = (∆t_б- ∆t_м)/ln(∆t_б/∆t_м) = (190-37)/ln(190/37) = 93.51^оС=93.51K;

 

Средняя температура растительного масла в межтрубном пространстве:

 

t_1ср= (t_1н + t_1k)/2=(147+40)/2=93.5 ^оС;

 

Средняя температура растительного масла в трубном пространстве:

 

t_2ср = t_1ср + ∆t_ср = 93.5+ 93.51=187.01 ^оС;

 

2.Найдём объёмный расход  растительного масла в трубном пространстве, массовый и объёмный  расход растительного масла в межтрубном пространстве.

 

• Массовый расход растительного масла в межтрубном пространстве, для этого составим материальный баланс:

G₂ =4т/ч=4·1000/3600=1.11 кг/сек

 

Q₁ = Q₂ = Q, т.е. G₁·c₁· (t_1к – t_1н) = G₂·c₂· (t_2н – t_2k), отсюда

 

Q = 1.11 ·2128· (230-110) =283449 Вт- Количество передаваемой теплоты;

 

G₁ = Q/c₁·(t_1к – t_1н) = 283449/2128 (147-40) = 1.245 кг/с;

 

Где G₁, G₂ – массовые расходы воды и соляной кислоты, где c₁=c₂=2128 Дж/(кг К) - удельные теплоемкости растительного масла при средней температуре t_ср=93.51 ^оС;.

• Объемные расходы растительного масла в трубном и межтрубном пространстве;

V₁ = G₁/ρ = 1.245 /900 = 0.0014 м³/с;

V₂ = G₂/ρ = 1.11/900 = 0.0012 м³/с,

 

где ρ– плотность растительного масла;

ρ = 900кг/м³ 

 

3.Варианты теплообменных аппаратов.

 

Для этого определим  ориентировочное значение площади  поверхности теплообмена, полагая, что К_ор = 195 Вт/(м²К)

  [1, табл.4.8], т.е. приняв его таким же, как при теплообмене от жидкости к жидкости (углеводороды, масла) :

F_ор = Q/К_ор· ∆t_ср = 283449/195·93.51 =15.54 м².

 

Для обеспечения интенсивного теплообмена попытаемся подобрать  аппарат с турбулентным течением теплоносителей.

 

В теплообменных трубах диаметром 25×2 мм холодильников скорость течения растительного масла при Re>10000 должна быть более ω₂′:

 

 ω₂′ = 10000·µ/d₂·ρ =10000·0.605·10^-3/0,021·900 = 0,32 м/с.

 

     Где µ₂=0.605·10^-3 Па·с - вязкость растительного масла

Проходное сечение трубного пространства при этом должно быть менее

 

S_т= V₂/ ω₂′=0.0012 /0.32=0.375·10^-2м²

            

Кожухотрубчатый теплообменник наименьшего диаметра 400 мм с числом труб 100 и числом ходов 2 имеет S_т = 1.7·10^-2 м² [1, с.214]

(S_т должно быть менее 0.375·10^-2м², чтобы обеспечить турбулентное течение теплоносителей). Поэтому пересчитаем аппарат при Re<10000:

Кожухотрубчатый холодильник  диаметром 400 мм с числом труб 100 диаметром 25×2 мм, числом ходов 2 (ГОСТ 15120-79):

 

4.Определим скорость и критерий Рейнольдса для растительного масла в трубном пространстве:

 

ω₂ = V₂/0,785·d₂²·n = 0.0012/0,785·0,021²·100 = 0.035 м/с,

Re₂ = ω₂· d₂·ρ/µ = 0.035 ·0,021·900/0.605·10^-3 = 1093

Для растительного масла в межтрубном пространстве:

ω₁ = V₁/S₁ = 0.0014 /2.5·10^-2= 0,056 м/с

Re₁ = ω₁· d₁·ρ/µ = 0,056 ·0,025·900/0.605·10^-3 = 2082,

S₁=2.5·10^-2м² –проходное сечение межтрубного пространства между перегородками по ГОСТ 15120-79;

d₁=0.025 м- наружный диаметр труб, определяющий линейный размер при поперечном обтекании.

 

5. Составим схему процесса теплопередачи. Для Re<10000 значение температуры стенки t_ст2 влияет на выбор расчетной формулы. Зададимся t′_ст1=93.5^оС и t′_ст2=187.01 ^оС. По [1, табл.4.1.] находим, что теплоотдача для обоих потоков описывается уравнением:

 

Nu = 0,4·ε_l·Re^0,6·Pr^0,36·(Pr/Pr_ст)^0,25

 

Коэффициент ε примем равным 0.6 (1,стр 157)

Определим Коэффициент теплоотдачи для растительного масла в межтрубном пространстве:

 

Критерий Прандтля для растительного масла в межтрубном пространстве при 93.5 ^оС:

Pr_1ст = c·µ/λ = 2128·0.605·10^-3/0,165 = 7.8

где λ=0,165 Вт/(м·К) - коэффициент теплопроводности растительного масла

µ₁ = 0.605·10^-3Па·с- коэффициент вязкости растительного масла

 

Критерий Нуссельта для растительного масла в межтрубном пространстве:

Nu₁′ = 0,4·0.6· 2082^0,6· 7.8 ^0,36·(7.8 /7.8)^0,25 =49.25.

 

Коэффициент теплоотдачи  от растительного масла в межтрубном пространстве к стенке:

α₁′ = Nu₁′·λ₁/d₁ = 49.25·0,165 /0,025 = 325 Вт/(м²·К).

 

Коэффициент теплоотдачи для растительного масла в трубном пространстве:

 

Критерий Прандтля для растительного масла в трубном пространстве при 187.01^оС:

Pr_2ст = c·µ/λ = 2128·0.605·10^-3/0,165 = 7.8

 

Критерий Нуссельта:

Nu₂′ = 0,4·0.6· 1093^0,6· 7.8 ^0,36·(7.8 /7.8)^0,25 =33.46

 

Коэффициент теплоотдачи  от стенки к растительному маслу в трубном пространстве:

α₂′ = Nu₂·λ₂/d₂ = 33.46·0,165/0,021 = 262.9 Вт/(м²·К).

 

Термическое сопротивление  стенки и загрязнений:

    ∑ r_ст = δ_ст / λ_cт+1/r₁+1/r₂,

где λ_cт=17,5Вт/(м·К) – теплопроводность материала стеки [4 табл.XXVIII]; δ_ст – толщина стенки, м; r₁, r₂ - термические сопротивления слоев загрязнений с обеих сторон стенки [5 табл. 2.2];

 

∑r_ст = 1/5800 +0,002/17,5+1/5800 = 4,6·10^-4 (м²·К)/Вт.

 

Коэффициент теплопередачи:

К′ = 1/(1/α₁ + ∑r_ст + 1/α₂) = 1/(1/325 + 4,6·10^-4 + 1/262.9) = 136 Вт/(м²·К).

 

Поверхностная плотность  теплового потока:

q′ = К′·∆t_ср = 136·93.51 = 12717 Вт/м².

 

Уточним  t_ст.1 и t_ст.2:

t_ст.1 = t₁ - ∆t₁ = t₁- q′ /α₁=93.5-12717/325=54.5 ^оС

t_ст.2 = t₂ +∆t₂ = t₂+ q′ /α₂ =187.01 +12717/262.9=220 ^оС.

 

Имеем существенное расхождение  между t_ст.1 и t′_ст.1

(93.5^оС и 187.01 ^оС),однако это не влияет на коэффициент теплопередачи α₁

 

Итак окончательно t_ст.1 =54.5^оС, t_ст.2 =220 ^оС

 

Расчетная площадь поверхности  теплопередачи:

F_р′ = Q/q = 283449/(136· 93.51) = 22.28 м².

С запасом 10%: F_р = 24.0 м².

 

       По  расчетной площади поверхности теплопередачи по ГОСТ 15120-79 выбираем

кожухотрубчатый теплообменник диаметром 400 мм, с числом труб 100 и диаметром 25×2 мм, числом ходов 2, длиной трубок 3 м .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

 

Задачей расчета теплообменника является определение поверхности  теплообмена совместным решением уравнений  теплопередачи и теплового баланса  при заданных расходах теплоносителей и температурных условиях. Вначале необходимо выбрать конструкцию аппарата и иметь сведения об основных размерах типовой аппаратуры, применяемых на практике скоростях теплоносителей. Тепловой расчет обычно включает:

- выбор конструкции  аппарата, определяющих размеров, скоростей,  мест движения теплоносителей;

- определение тепловой  нагрузки или расходов теплоносителей;

- расчет параметров  температурного режима процесса  теплообмена;

- выбор физических  параметров теплоносителей;

- определение коэффициента  теплопередачи;

- вычисление площади поверхности теплообмена.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Библиографический список

 

 

1. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А., «Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии». Л.: Химия, 1983.
2. Борисов Г.С., Брыков В.П., Дытнерский Ю.И. и другие, «Основные процессы и аппараты химической технологии». М.: Химия, 1991
3. «Справочник химика» под ред. Никольского т.3, Л.: Химия, 1971
4. Авербух Я.Д., Заостровский Ф.П., Матусевич Л.Н., «Процессы и аппараты химической технологии: курс лекций» Ч.2: «Теплообменные и массообменные процессы». Свердловск: изд. УПИ, 1973
5. Локотанов Н.С. «Процессы и аппараты химической технологии: Методические указания к курсовому проектированию». Свердловск: изд. УПИ, 1985

6.Лащинский А.А., Толчинский А.Р., «Основы конструирования и расчета химической аппаратуры». Л.: Машиностроение, 1970