Рассчитать и подобрать нормализованный кожухотрубный теплообменник для нагрева рабочей среды (этанол) от t1н=200С до

Рассчитать и подобрать нормализованный кожухотрубный теплообменник для нагрева рабочей среды (этанол) от t1н=200С до t1к=540С при его массовом расходе G1=18 т/ч. Нагрев осуществляется горячей водой, протекающей в межтрубном пространстве и имеющей начальную температуру t2н=860С, а конечную t2к=640С.

Определяем среднюю температуру рабочей среды:
t1cp=t1н+t1к2=20+542=370С
По справочным таблицам определяем теплофизические свойства рабочей среды при ее средней температуре в теплообменнике:
плотность – 774,55 кг/м3;
коэффициент динамической вязкости – 0,877·10-3 Па·с;
коэффициент теплопроводности – 0,163 Вт/(м·К);
удельная теплоемкость – 2549,3 Дж/(кг·К)
Определяем среднюю разность температур в теплообменнике при противоточной схеме движения теплоносителей.
Горячая вода: 86→640С
Этанол: 54←200С
∆tб=64-20=440С
∆tм=86-54=320С
∆tб/∆tм=44/32=1,38
Так как отношение ∆tб/∆tм<1,8, среднюю разность температур рассчитываем как среднеарифметическую:
∆tcp=∆tб+∆tм2=44+322=380С
Средняя температура воды:
tcp2=t1cp+∆tcp=37+38=750С
По справочным таблицам определяем теплофизические свойства горячей воды при ее средней температуре в теплообменнике:
плотность – 974,65 кг/м3;
коэффициент динамической вязкости – 0,381·10-3 Па·с;
коэффициент теплопроводности – 0,6715 Вт/(м·К);
удельная теплоемкость – 4195,5 Дж/(кг·К)
Определяем тепловую нагрузку аппарата:
Q=G1∙c1∙t1к-t1н=180003600∙2549,3∙54-20=433381 Вт
Массовый расход горячей воды определяем с учетом 5% потерь тепла в окружающую среду из уравнения теплового баланса:
G2=1,05∙Qc2∙t2н-t2к=1,05∙4333814195,5∙86-64=4,93кгс
Для заданного вида теплообмена принимаем ориентировочное значение коэффициента теплопередачи Кор=800 Вт/(м2·К).
Ориентировочная поверхность теплообмена:
Fop=QKop∙∆tcp=433381800∙38=14,26 м2
Задаемся ориентировочным значением критерия Рейнольдса Reор=15000, соответствующим турбулентному режиму движения рабочей среды в трубках теплообменника

. Принимаем диаметр трубок 20х2 мм.
Скорость рабочей среды в трубном пространстве теплообменника:
w1op=Reop∙μ1ρ1∙dвн=15000∙0,877∙10-3774,55∙0,016=1,06мс,
где dвн=0,016 м – внутренний диаметр трубок
Определяем необходимую площадь проходного сечения трубного пространства:
Sop=G1ρ1∙w1op=180003600774,55∙1,06=0,006 м2
На основании выполненных расчетов выбираем кожухотрубный теплообменник со следующими характеристиками:
площадь поверхности теплообмена – F=20 м2;
диаметр кожуха – D=0,325 м;
длина трубок – L=4 м;
количество ходов – z=2;
площадь прохода по трубному пространству – Sтр=0,008 м2;
площадь проходного сечения между трубами в вырезе перегородки – Sв.п=0,013 м2;
площадь проходного сечения в межтрубном пространстве между перегородками – Sм.п=0,015 м2.
Расчетное значение скорости рабочей среды в трубном пространстве:
w1=G1ρ1∙Sтр=180003600774,55∙0,008=0,81мс
Критерий Рейнольдса при движении рабочей среды в трубном пространстве:
Re1=w1∙dвн∙ρ1μ1=0,81∙0,016∙774,550,877∙10-3=11446
Критерий Прандтля для рабочей среды:
Pr1=c1∙μ1λ1=2549,3∙0,877∙10-30,163=13,72
Критерий Нуссельта для рабочей среды:
Nu1=0,021∙Re10,8∙Pr10,43=0,021∙114460,8∙13,720,43=114,34
Коэффициент теплоотдачи для рабочей среды:
∝1=Nu1∙λ1dвн=114,34∙0,1630,016=1164,84
Площадь сечения межтрубного пространства:
Sмт=Sв.п∙Sм.п=0,013∙0,015=0,014 м2
Скорость движения горячей воды в межтрубном пространстве теплообменника:
w2=G2ρ2∙Sмт=4,93974,65∙0,014=0,36мс
Критерий Рейнольдса при движении горячей воды в межтрубном пространстве:
Re2=w2∙dн∙ρ2μ2=0,36∙0,020∙974,650,381∙10-3=18418,58
Критерий Прандтля для горячей воды:
Pr2=c2∙μ2λ2=4195,5∙0,381∙10-30,6715=2,38
Критерий Нуссельта для горячей воды:
Nu2=0,24∙Re20,6∙Pr20,36=0,24∙18418,580,6∙2,380,36=118,83
Коэффициент теплоотдачи для горячей воды:
∝2=Nu2∙λ2dн=118,83∙0,67150,020=3989,72
Коэффициент теплопередачи в проектируемом теплообменнике:
К=11∝1+sλст+1∝2,
где -толщина трубы, м; s=2 мм=0,002 м;
λст-коэффициент теплопроводности материала труб, Вт/(м·К); для нержавеющей стали принимаем λст=46,5 Вт/(м·К).
К=111164,84+0,00246,5+13989,72=867,95Втм2∙К
Расчетная поверхность теплообмена:
F=QК∙∆tcp=433381867,95∙38=13,14 м2
Окончательно принимаем кожухотрубный теплообменник со следующими характеристиками:
площадь поверхности теплообмена – F=15 м2;
диаметр кожуха – D=0,325 м;
длина трубок – L=3 м;
количество ходов – z=2;
площадь прохода по трубному пространству – Sтр=0,008 м2;
площадь проходного сечения между трубами в вырезе перегородки – Sв.п=0,013 м2;
площадь проходного сечения в межтрубном пространстве между перегородками – Sм.п=0,015 м2.
Запас поверхности теплообмена:
∆=Fст-FрFр=15-13,1413,14=0,142
Схема кожухотрубного теплообменника приведена на рис