Расчет кожухотрубчатого теплообменника. 4

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ  И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Северский технологический  институт – филиал

Федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования

«Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

(СТИ НИЯУ МИФИ)

 

 

Кафедра МАХП

 

 

РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕННИКА КОЖУХОТРУБЧАТОГО

Расчетная работа

ПАХТ 149. 02. 00. РР

 

 

 

 

 

Выполнил:

студент гр. Д-149

__________Борисова М.А.

«___»___________ 2012 г.

Проверил:

преподаватель:

_________Зарипова Л.Ф.

«___» __________ 2012 г.

 

 

 

 

 

 

 

 

Северск 2012

Содержание

Введение 3

1. Цель расчета 4
2. Данные для расчета 4

5. Тепловой расчет аппарата 4

3.1 Тепловая нагрузка  аппарата 4

3.2 Расчет средних температур  теплоносителей и средней разности  температур 5

3.3 Расчет коэффициентов теплоотдачи от конденсирующего пара к стенке 6

3.4 Определение поверхности теплообмена 12

4. Конструктивный расчет теплообменника 19

4.1 Определение числа  труб и числа ходов в трубном пространстве 19

4.2 Внутренний диаметр  корпуса 20

4.3 Диаметр патрубков 20

5. Гидравлический расчет теплообменника 22

     6  Расчет  изоляции …………………………………………………….…………24

     7 Подбор  материала для корпуса.............................................................................25

           Заключение 26

Литература 27

Эскиз теплообменника (приложение А)  28

 

Введение

 

Теплообменная аппаратура широко применяется  в химической технологии в различных  процессах нагревания, охлаждения растворов, жидкостей, конденсации пара, испарения  жидкости.

Кожухотрубчатые теплообменники в настоящее время являются самыми распространенными теплообменными аппаратами. Они обеспечивают высокую теплопроизводительность, большую поверхность теплопередачи. Наиболее целесообразно применение кожухотрубчатых теплообменников для парожидкостного теплообмена. В этом случае пар конденсируется в межтрубном пространстве, обеспечивая равномерность температуры и высокий коэффициент теплопередачи, а раствор или жидкость пропускается по трубному пространству, в котором можно достичь высокую скорость движения, тем самым повысить интенсивность теплообмена.  С целью увеличения скорости движения теплоносителя и интенсификации теплообмена в теплообменнике устанавливают перегородки в трубном или межтрубном  пространствах, то есть теплообменники выполняют многоходовыми.

Кожухотрубчатые теплообменники могут  выполняться в вертикальном или  горизонтальном исполнении.

Данная работа посвящена расчету  кожухотрубчатого парожидкостного  теплообменника.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Цель расчета

 

Целью расчета является закрепление  теоретических выводов и расчетно-практических рекомендаций по курсу «Процессы и аппараты химической технологии» и их приложение к конкретному расчету кожухотрубчатого горизонтального или вертикального парожидкостного теплообменника.

 

2 Исходные данные

Исходные данные приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Исходные данные

Конденсирующийся насыщенный пар	Этиловый спирт
Давление пара, МПа	0,1
Жидкость – раствор	Вода
Концентрация раствора, %	–
Производительность по пару, кг/с	0,25
Начальная температура жидкости, 0С	14
Конечная температура жидкости, 0С	45

 

3 Тепловой  расчет аппарата

3.1 Тепловой расчет

Целью теплового расчета  теплообменного аппарата является определение  тепловых потоков в аппарате, его  тепловой нагрузки, истинных значений коэффициентов теплопередачи, температур стенок и поверхности теплообмена.

         (1)  

Q – тепловая нагрузка аппарата (количество переданного тепла).

          

где D – расход пара, кг / с;

      i_п – энтальпия насыщенного пара, Дж/кг;

где i_к– энтальпия конденсата, Дж / кг;

        r – удельная теплота парообразования или конденсации, Дж / кг;

  h_п – коэффициент полезного использования тепла в аппарате;

      G₂ – массовый расход жидкости второго теплоносителя, кг / с;

      C₂ – удельная теплоемкость жидкости, Дж / кг · К;

      t_2к – конечная температура жидкости;

      t_2н – начальная температура жидкости.

3.2 Расчет средних температур теплоносителей и средней разности температур

Определение средних температур горячего теплоносителя:

t_1ср=t_конд (при р_пара=0,1МПа)

t_1ср=78,37⁰С (при р_пара=0,1Мпа) [1]

.

Теплота испарения жидких веществ:

При t=60⁰C ,  r=210ккал/кг

При t=80⁰С, r=203ккал/кг => при t=78,37⁰С – r=203^.4190=850570Дж/кг

[ Плановский приложение VII].

В случае конденсации пара в теплообменнике средняя температура первого (горячего) теплоносителя равна температуре  конденсации пара.

 

 

 

 

 

 

 

 

;

.

 

Средняя разность температур между  теплоносителями определяется по формуле:

⁰C < 2

 

Определим t_IIcp:

 

 

.

 

По таблице удельной теплоемкости жидких веществ и водных растворов при t_IIcp=30⁰С определим:

 

=4,18КДж/кг·К=4,18·10³Дж/кг·К. [2 – стр. 512 табл.XXXIX]

 

3.3 Расчет коэффициентов теплоотдачи от конденсирующего пара к стенке

 

Принимаем Н=2м, (t_конд-t_ст1)=1⁰, 5⁰, 10⁰, 15⁰, 20⁰С.

Рассчитываем для каждой t_ст1 коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенки по формуле :

где l – коэффициент теплопроводности конденсата, Вт/м · К;

  r – плотность конденсата, кг/м³;

       r – удельная теплота конденсации, Дж/кг;

      g – ускорение свободного падения, g=9,81м/с²;

  m – динамический коэффициент вязкости, Па^.с;

       d – наружний диаметр трубы, d= 0,025 м;

    t_ст1 – температура стенки, ⁰С. 

Найдем значения l, r, m при температурах конденсации и составим таблицу 2 :   

Таблица 2 – Расчетные  значения l, r, m

	r, кг/м3	m, Н·с/м2	l, Вт/м · К
tIcp=78,37≈80	735	0,435·10-3	0,164
tIIcp=77,37	737	0,465·10-3	0,164
tIIIcp=73,37	741	0,487·10-3	0,164
tIIIIcp=68,37	746	0,526·10-3	0,164
tIVIcp=63,37	751	0,565·10-3	0,165
tVIcp=58,37	755	0,610·10-3	0,165

 

 

1. Для t^I_Icp методом интерполяции, которая представлена в таблице 3, найдем значения l, r, m и запишем их в таблицу 2 :

 

Таблица 3 – Метод интерполяции

tIIcp	r, кг/м3	m, Н·с/м2	l, Вт/м · К
60	754	0,591·10-3	0.165
77,37	Х	У	Z
80	735	0,435·10-3	0,164

 

Этим же методом рассчитаем l, r, m для t^II_Icp, t^III_Icp, t^IV_Icp, t^V_Icp и подставим в таблицу 2. [ Плановский. Приложение 1, 2]

 По формуле (3) для разных температур определим:

Определим удельный тепловой поток  из уравнения теплоотдачи по формуле:

;

Из формулы:

 

Определим ряд значений температуры стенки со стороны нагреваемой жидкости:

где d_ст – толщина стенки трубок, d_ст=0,002м;

  l _ст – коэффициент теплопроводности материала трубок, l _ст=46,5Вт/мК.

Рассчитаем  коэффициент теплоотдачи от стенки к жидкости:

                            

                           (6)

где ε_l – поправочный коэффициент, e_l=1,0;

      Pr – критерий Прандтля при средней температуре t_IIcр;

   Pr_ст – критерий Прандтля при температуре стенки.

 

                              

                     (7)               

 

где при t_IIcp=30⁰C:

=4,18КДж/кг·К,

       μ =804·10^-6Па·с,

       λ =61,8·10^-2Вт/м·К. [ 2 – стр. 520]

Найдем значения С, λ, μ при температурах стенки со стороны нагреваемой жидкости и составим таблицу 3:

Таблица 3 – Расчетные значения С, λ, μ

	C, Дж/кг·К	μ, Па·с	λ, Вт/м·К
tIIcp=300С	4,18·103	804·10-6	61,4·10-2
tIст2=76,29	4,19·103	373,921·10-6	66,36·10-2
tIIст2=73,02	4,19·103	390,598·10-6	67,01·10-2
tIIIст2=67,79	4,18·103	420,923·10-6	66,60·10-2
tIVст2=62,59	4,18·103	470·10-6	65,9·10-2
tVст2=57,41	4,18·103	490,461·10-6	65,6·10-2

 

1. Для t^I_ст2 методом интерполяции, представленной в таблице 4, найдем значения С, λ, μ и подставим их в таблицу 3:

Таблица 4 – Метод интерполяции

tIст2	C, Дж/кг·К	μ, Па·с	λ, Вт/м·К
70	4,19·103	406·10-6	66,8·10-2
76,29	х	у	z
80	4,19·103	355·10-6	67,5·10-2

 

Этим же методом рассчитываем С, λ, μ для t^II_ст2, t^III_ст2, t^IV_ст2, t^V_ст2 и подставим в таблицу 3. [2– стр.520]

По формуле (7), определим критерии Прандтля при различных температурах t_ст2:

По формуле (6) рассчитываем критерий Нуссельта:

 

 

 

 

Рассчитываем коэффициент теплоотдачи от стенки к жидкости:

Определим удельный тепловой поток  из уравнения теплоотдачи по формуле:

3.4 Определение  поверхности теплообмена

Определим истинное значений удельного теплового потока. Для  этого построим график зависимости  удельных тепловых потоков q_I и q_II от температуры стенки t_ст1, по значениям, которые приведены в таблице 5.

Таблица 5 – Зависимость удельных тепловых потоков q_I и q_II от температуры стенки t_ст1

tст, 0С	77,37	73,37	68,37	63,37	58,37
q1, Вт/м2	2499	8200	13580	18225	22240
q2, Вт/м2	125583	116954	96441	83149	68643

 

Так как по полученным значениям мы не находим точку пересечения двух кривых, то необходимо расчитать дополнительные точки.

Построим дополнительные точки:

1. (t_конд-t_ст)=25^o, 30^o, 35^o, 40 ^oC
2. t^VI_ст1=78,37-25=53,37
3. t^VII_ст1=78,37-30=48,37,
4. t^VIII_ст1=78,37-35=43,37,
5. t^IX_ст1=78,37-40=38,37.

Для t^VI_ст1, t^VII_ст1, t^VIII_ст1, t^IX_ст1 методом интерполяции найдем значения λ, μ, ρ и подставим их в таблицу 6:

 

Таблица 6 – Расчетные значения λ, μ, ρ

	r, кг/м3		m, Н·с/м2	λ, Вт/м·К
tVIст1		759	0,669·10-3	0,166
tVIIст1		764	0,727·10-3	0,166
tVIIIст1		768	0,786·10-3	0,167
tIXст1		773	0,855·10-3	0,167

 

1. Для t^VI_ст1 методом интерполяции, представленной в таблице 7, найдем значения С, λ, μ и подставим их в таблицу 6:

Таблица 7 – Метод интерполяции

t, oC	r, кг/м3	m, Н·с/м2	λ, Вт/м·К
40	772	0,825·10-3	0,167
53,37	Х	у	Z
60	754	0,591·10-3	0,165

 

Этим же методом считаем t^VII_ст1, t^VIII_ст1, t^IX_ст1, полученные данные заносим в таблицу (5).

 

По формуле (3) определим  коэффициент теплоотдачи:

Определим удельный тепловой поток из уравнения теплоотдачи  по формуле (4):

Определим ряд значений температуры стенки со стороны нагреваемой жидкости по формуле (5):

Найдем значения С, λ, μ при температурах стенки со стороны  нагреваемой жидкости и составим таблицу 8:

Таблица 8 – Расчетные значения λ, μ, ρ

	C, Дж/кг·К	μ, Па·с	λ, Вт/м·К
tVIст2=52,26	4,18·103	531·10-6	65·10-2
tVIIст2=47,12	4,18·103	580·10-6	64,4·10-2
tVIIIст2=41,98	4,18·103	657·10-6	63,4·10-2
tIXст2=36,86	4,18·103	703·10-6	62,8·10-2

 

1. Для t^VI_ст2=52,26 методом интерполяции, представленной в таблице 7, найдем значения С, λ, μ и подставим их в таблицу 9:

Таблица 9 – Метод интерполяции

tVIст2	C, Дж/кг·К	μ, Па·с	λ, Вт/м·К
50	4,18·103	549·10-6	64,8·10-2
52,26	Х	у	Z
60	4,18·103	470·10-6	65,9·10-2

 

Этим же методом рассчитываем С, λ, μ для t^VII_ст2, t^VIII_ст2, t^IX_ст2,  и подставим в таблицу 6.

По формуле (7), определим  критерии Прандтля при различных  температурах t_ст2:

 

По формуле (6) рассчитываем критерий Нуссельта:

Рассчитываем коэффициент  теплоотдачи от стенки к жидкости:

Определим удельный тепловой поток  из уравнения теплоотдачи по формуле (8):

 

Определим истинное значений удельного теплового потока. Для этого построим график зависимости удельных тепловых потоков q_I и q_II от температуры стенки t_ст1, по значениям, которые приведены в таблице 10.

Таблица 10 – Зависимость удельных тепловых потоков q_I и q_II от температуры стенки t_ст1

tст, 0С	77,37	73,37	68,37	63,37	58,37	53,37	48,37	43,37	38,37
q1,Вт/м2	2499	8200	13580	18225	22240	25875	29130	32305	35080
q2, Вт/м2	125583	116954	96441	83149	68643	54510	40843	27493	15625

 

График 1 – Определение истинного значения удельного теплового потока

Из графика следует:

Ордината точки пересечения  кривых соответствует истинному  значению теплового потока, а абсцисса – истинное значение температуры  стенки:

 

Определим истинное значение коэффициентов теплоотдачи [3]:

 

 

Из формулы (9) найдем:

 

 

Тогда коэффициент теплоотдачи  из выражения (9) будет равен:

 

 

Определяем поверхность  теплообмена:

Вт

 

 

4 Конструктивный расчет  теплообменника

4.1 Определение  числа труб и числа ходов  в трубном пространстве

Определим число труб на основании  рассчитанной поверхности теплообмена F :

где n – число труб;

     d_p – расчетный диаметр трубы, м;

       l – длина труб, м.

Число труб одного хода в  трубном пространстве определим  из объемного расхода теплоносителя и  его скорости движения :

где V – объемный расход теплоносителя, м³/с;

      n₀ – число труб в одном ходе;

    d_вн – внутренний диаметр труб, м;

      w – скорость движения теплоносителя, м/с.

За расчетный диаметр принимаем средний диаметр трубы:

Как видно из предыдущих расчетов, при конструировании теплообменника приняли трубы длиной 2000 мм. Скорость движения теплоносителя рассчитаем из формулы критерия Рейнольдса:

где ρ_н2о=996кг/м³ , при t_IIср=29,5⁰С [1, c.520]

Найдем число ходов  в трубном пространстве:

Принимаем Z_тр= 4.

 

4.2 Внутренний  диаметр корпуса

Внутренний диаметр  корпуса зависит от диаметра, шага, числа труб и схемы размещения в трубном пучке.

Расстояние между осями  труб – шаг зависит от наружного  диаметра [3]:

Общее число труб: n=61, в=9 [ 3 – стр. 28]

Диаметр корпуса D₀ многоходового теплообменника рассчитывается по формуле:

где h=0,6-0,8 – коэффициент заполнения трубной решетки.

Принимаем D₀=377 мм [ 4 – стр. 440 табл. 16.1]

 

4.3 Диаметр  патрубков

Диаметр патрубков зависит от объемного расхода и скорости движения теплоносителя и определяется из уравнения расхода:

 

– Для спирта находим  по формуле формула Клапейрона-Менделеева плотность пара:

Диаметр входного патрубка для насыщенного пара :

где W_пара=(10...20)м/с;

       принимаем d_пара=125мм [ 5 – стр. 175 табл. 10.2]

Диаметр патрубка для  удаления конденсата пара:

где W_конд=(0,1...0,5)м/с;

       принимаем d_конд=80мм [ 5 – стр. 175 табл. 10.2]

– Для воды:

При t_н=14⁰С, ρ_{н н2о}=1000кг/м³

При t_к=45⁰С, ρ_{к н2о}=992кг/м³    [ 2 – стр. 520]

Диаметр патрубков :

где W_н2о=(0,5...2,5)м/с;

       принимаем d_Нн2о=50мм [ 5 – стр. 175 табл. 10.2]

 

где W_н2о=(0,5...2,5)м/с;

       принимаем d_Кн2о=50мм [ 5 – стр. 175 табл. 10.2]

 

5 Гидравлический  расчет теплообменника

Гидравлическое сопротивление  для трубного пространства теплообменного аппарата определяется по формуле:

где DР – потеря давления на трение и преодоление местных сопротивлений, Па;

  l – коэффициент трения;

      Z_тр – число ходов по трубному пространству;

         l – длина трубок, м;

       d_вн – внутренний диаметр трубок, м;

  Sx – сумма коэффициентов местных сопротивлений;

  r – плотность теплоносителя, кг/м³;

       w – скорость движения теплоносителя, м/с.

 

 

 

 

Значение коэффициента трения определяется по формуле:

,

при Re = 10000 , ε=0,009·10^-3м.

λ=0,0307.

Сумма коэффициентов  местных сопротивлений будет  равна [6]: