Расчет кожухотрубчатого теплообменника

 

 

 

 

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]: