Тепловой расчет вертикального кожухотрубчатого теплообменника

Диаметр корпуса этого  теплообменника равен D=400мм.

2.2. Расчет коэффициента  теплоотдачи от бензола к трубкам.

Для проведения теплового  расчета необходимо рассчитать коэффициент теплоотдачи при конденсации паров бензола на вертикальных трубках. Это можно сделать по зависимости [1]

 

альфа_к = 1,15⁴√r*ρ²λ³3600/(μ∆t_бН),

 

где:

r = 94,5ккал/кг – скрытая  теплота парообразования бензола  при атмосферном давлении;

ρ – плотность бензола при средней температуре пленки бензола;

λ – коэффициент теплопроводности бензола при средней температуре  пленки;

μ – динамический коэффициент  вязкости бензола при  средней  температуре пленки;

t_бср = (t_к + t_ст.1)/2 – средняя температура пленки бензола.

∆t_б = t_к-t_ст.1-температурный напор между конденсирующимся паром бензола и наружной поверхностью стенки трубки  t_ст.1;

Н - высота трубок (Н=1000мм, таблица №7).

Видно, что для расчета  коэффициента теплоотдачи необходимо определить температуру стенки t_ст.1.. Поэтому, расчет проводим последовательными приближениями, задаваясь значениями t_ст.1.

Проведем два  расчета:

Первый –  при t_ст.1¹ = 60⁰С;

Второй –  при t_ст.1¹¹ = 50⁰С

Тогда в первом расчете

∆t¹ = t_к-t_ст.1¹ = 80,1-60 = 20,1⁰С

и во втором

∆t¹¹ = t_к-t_ст.1¹¹ = 80,1 -50=30,1⁰С

 

В этих зависимостях верхние  индексы обозначают номер расчёта.

Физические параметры  бензола в первом и втором расчетах приведены в таблице №8, Приложение №2:

 

Параметр бензола	Первый расчет	Второй расчет
Средняя температура пленки бензола t = (tк+tст.1)	(80,1+60)/2 ≈ 700C	(80,1+60)/2 ≈ 700C
Плотность пленки бензола	825кг/м3	829кг/м3
Коэффициент теплопроводности пленки бензола	0,114ккал/м*час*К	0,115ккал/м*час*К
Динамический коэффициент вязкости пленки бензола	0,354сП (сантипуаз)	0,372сП (сантипуаз)
	1сП=1,02*10-4 кг*с/м2 технической системы единиц [3]

 

Коэффициент теплоотдачи  от конденсирующихся паров бензола

В первом расчете (при t_ст.1¹ = 60⁰С)

 

альфа_к¹=1,15⁴√(94,5*825²*0,114³*3600)/(0,354*1,02*10^-4*20,1*1)= 953,5ккал/м^2.часК

 

Во втором расчете (при t_ст.1¹¹ = 50⁰С)

 

альфа_к¹¹= 1,15⁴√(94,5*829²*0,115³*3600)/(0,372*1,02*10^-4*30,1*1) =

= 859ккал/м^2.часК

 

2.3. Расчет коэффициента  теплоотдачи от воды к стенке  трубки.

Предварительно определяем режим течения воды в трубках.

Число Рейнольдса

 

Re= W_вd_вн/ν,

 

где:

W_в– скорость воды в трубках;

d_вн – внутренний диаметр трубок;

ν = 0,845*10^-6м^2./с кинематический коэффициент вязкости воды при средней температуре 27,2⁰С (таблица №1, Приложение).

 

W_в=G_в/(n*(πd²_вн/4)ρ)=4*9450/(25π0,021²*1000*3600) = 0,303м/c,

где:

n = 25 – число трубок  в одном ходе теплообменника;

ρ = 1000кг/м³ - плотность воды;

d_вн = 0,021м - внутренний диаметр трубок.

Тогда, число Рейнольдса равно

 

Re=W_вd_вн/ν=0,303*0,021/0,845*10^-6=7530

 

Режим течения воды турбулентный и поэтому коэффициент теплоотдачи от воды можно определить по зависимости [4]

 

Nu=0,021 Re^0,8*Рr^0,43(Рr/Рr_ст)^0,25

 

или же по видоизменённой упрощенной зависимости, позволяющей  произвести расчет коэффициента теплоотдачи от воды по зависимости [1]

 

альфа_в= А₅W^0,8_в/d_вн^0,2.

 

В этих зависимостях

альфа_в – коэффициент теплоотдачи от воды к трубке;

Nu=альфа_в d_вн/λ- критерий Нуссельта;

Рr= μc_р/λ - критерий Прандтля (учитывает физические свойства теплоносителя) при средней температуре теплоносителя;

Рr_ст  - критерий Прандтля при температуре теплоносителя равной температуре стенки ;

-λ - коэффициент теплопроводности  воды;

ρ - плотность воды;

с_р - теплоёмкость воды.

Физические параметры  теплоносителя –воды берутся  при его средней температуре  –t_в = 24,6⁰С

А₅ = 1863(таблица№3, Приложение).

Тогда, коэффициент теплоотдачи  от воды к трубке

 

альфа_в= А₅W^0,8_в/d_вн^0,2. = 1863*0,303^0,8/0,021^0,2 =

=1552ккал/м²часК = 1806Вт/м²К

 

2.4.Учтем в  расчете также и термическое  сопротивление стенки трубок, а  также термическое  сопротивление загрязнений со стороны бензола и со стороны воды.

 

R= R_загр.б+R_ст+R_загр.в.

 

Термическое сопротивление  стальной трубки толщиной 2мм при коэффициенте теплопроводности стали λ = 40ккал/м*час*К  равно:

 

R_ст= δ/ λ=0,002/40 = 0,00005м^2.часК/ккал,

 

а сумма термических  сопротивлений загрязнений со стороны  бензола, со стороны воды и термосопротивления стенки равна

 

R=R_загр.б+R_ст+R_загр.в.=0,0001+0,00005+0,0007=0,00085м²часК/ккал

 

2.6. Рассчитаем  удельные тепловые потоки от  бензола к стенке со стороны бензола и от стенки трубки со стороны бензола к воде в обоих вариантах расчета кожухотрубчатого теплообменника.

q₁=альфа_к*(t_к-t_cт.1) – мощность удельного теплового потока от бензола к стенке трубки.

В первом расчёте

q₁¹ = 953,5*(80,1-60) = 953,*20,1 = 19165ккал/м²час

Во втором расчёте

q₁¹¹=859*(80,1-50) = 25856ккал/м²час

 

q₂¹= (t_cт.1—t_в)/(R + 1/альфа_в) – мощность удельного теплового потока от стенки трубки к воде. В этом уравнении (R + 1/альфа_в) = 0,001494м²часК/ккал – термическое сопротивление от наружной стенки трубки к воде, движущейся внутри трубки.

В первом расчёте

q₂¹ = (60-24,6)/(0,00085+1/1552) = 23758ккал/м²час

Во втором расчёте

q₂¹¹ = (50-24,6)/(0,00085+1/1552) = 17047ккал/м²час

 

Итак, имеем

 

	tст.1,0C	q1, ккал/м2час	q2, ккал/м2час
Первый расчёт	60	19165	23758
Второй расчёт	50	25856	17047

 

Для обеспечения теплового  баланса мощность удельного теплового потока от бензола должна быть равна мощности удельного теплового потока от трубки к воде.

Используем полученные расчетные данные для записи мощности удельных тепловых потоков в виде линейных зависимостей от температуры.

q₁=а₁+в₁t_ст.1;

19165 = а₁+в₁*60     Из системы уравнений получим а₁ = 59311;      в₁ = -669,1

25856 = а₁+в₁*50

q₁ = 59311-669,1*t_ст1 – Уравнение для мощности удельного теплового потока от бензола                                                                                                            (1)

q₂=   а₂+в₂*t_ст1;

23758=а₂+в₂*60           Из системы уравнений получим а₂=16508;     в₂=671,1

17047=а₂+в₂*50         

q₂=-18204+669,3*t_ст.1 -  Уравнение для мощности удельного теплового потока от стенки к воде                                                                                                  (2)

Решаем совместно    1   и   2, полагая q₁=q₂,  и получаем

59311-669,1t_ст.1=- 16508 +671,1t_ст.1

t_ст.1=56,6⁰С

3. Проводим  проверочный тепловой расчет  кожухотрубчатого теплообменника  при температуре наружной поверхности  стенки трубки t_ст.1=56,6⁰С

3.1. Коэффициент  теплоотдачи конденсирующегося   бензола.

Температурный напор на пленке конденсата

 

∆t = t_к-t_ст.1=80,1-56,6= 23,5⁰С

 

Физические  параметры конденсата бензола при  средней температуре

t_бcр=(80,1+56,6)²/2=68⁰C

ρ=826кг/м³;    λ=0,114ккал/м*часК;    μ= 0,358сП [3]

Коэффициент теплоотдачи  от бензола к трубкам

 

альфа_к = 1,15⁴√rρ²λ³3600/(μ*1,02*10 ^{– 4}*∆t*Н) =

=1,15⁴√94,5*826²*0,114³3600/(0,358*1,02*10^-4*23,5*1) =

= 915,01ккал/м²часК        

3.2. Удельный  тепловой поток от бензола  к стенке

 

q₁=альфа_к(t_к-t_cт.1) = 915,01(80,1-56,6)=21503 ккал/м²час

3.3. Термическое  сопротивление при теплоотдаче к воде (остается таким же, как и в предварительном расчете)

 

R_в = (R + 1/альфа_в) = 0,001494м²часК/ккал

 

3.4. Удельный  тепловой поток к воде

 

q₂=(t_cт.1--t_в)/R_в =(56,6-24,2) / 0,001494=21419 ккал/м²часК

 

Т.к.  q₁≈q_2, то тепловой расчет выполнен достаточно точно.

Итак, q=21550ккал/м²час.

4. Необходимая  поверхность теплообмена

 

F=Q/q = 129937,5/21550 = 6,02м²

 

5. По таблице  №7 (Приложение) принимаем четырехходовой  теплообменник с диаметром корпуса  400мм, с общим количеством трубок n=100 (n₁=25 – количество трубок в одном ходе), с поверхностью теплообмена F = 7м²; с высотой трубок 1000мм и с трубками d25/d21мм.

6. Эскизный проект рассчитанного четырёхходового вертикального кожухотрубчатого теплообменника привести на чертеже.

Для размещения трубок на трубной доске и при определении шага между трубками использовать рекомендации, приведенные в курсовой работе №1.

Диаметр патрубка для  паров бензола рассчитать при  скорости паров W_пб = 20-25м/с и при плотности паров бензола равной 2,7кг/м³.

Диаметр патрубка для жидкого бензола рассчитать при скорости жидкости равной W_б = 1-2м/с и при плотности бензола на линии насыщения равной 825кг/м³.

Патрубки для подвода  и отвода охлаждающей воды рассчитать при скорости движения воды равной 5-7м/с и при плотности воды 1000кг/м³.

На эскизе теплообменного аппарата указать направления движения теплоносителей и изобразить разделительные стенки в крышках теплообменника.

 

 

Эскиз теплообменного четырёхходового аппарата типа ТН

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

 

 В выполненной работе проведен инженерный расчет кожухотрубчатого теплообменника для конденсации насыщенного пара бензола. По проведненным расчетам был выбран четырёхходовой теплообменник, у которого общее число трубок равно n=100 и, следовательно, число трубок в одном ходе равно 25. В выбранной конструкции наибольшая скорость воды в трубках ,наибольший коэффициент теплоотдачи к воде. По таблице №7 (Приложение) принимаем четырехходовой теплообменник с диаметром корпуса 400мм, с общим количеством трубок n=100 (n₁=25 – количество трубок в одном ходе), с поверхностью теплообмена F = 7м²; с высотой трубок 1000мм и с трубками d25/d21мм.

 Приведенные выше  зависимости, понятия и определения  достаточны для проведения как  проектных тепловых и компоновочных расчётов рекуператоров, так и для проверочных расчётов, в которых по типу теплопередающей поверхности, величине её площади и по параметрам теплоносителей на входе в теплообменник определяют температуры теплоносителей на выходе.

 

 

 

 

 

Список использованной литературы

 

1. П.Д. Лебедев, А.А. Щукин. Теплоиспользующие установки промышленных предприятий. “ЭНЕРГИЯ”. М..
2. Н.Б. Варгафтик. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. Государственное издательство физико-математической литературы. М..
3. Т.М. Башта. Машиностроительная гидравлика. Издательство “Машиностроение”. М..
4. В.П. Исаченко, В.А. Осипова, А.С. Сукомел. Теплопередача. “ЭНЕРГИЯ”. М
5. Крутов В.И. редактор. Теплотехника. Учебник. 1986 год.
6. А.П. Баскаков, редактор. Тепплотехника. Учебник.2-у изд. перераб. 1991 год
7. И.А. Васильева, Д.П. Волков, Ю.П.Заричняк. Теплофизические свойства веществ. 2004 год.