Расчет кожухотрубчатого теплообменника

Расчет  кожухотрубчатого теплообменника

 

 

Рассчитать кожухотрубчатый  теплообменник для нагревания m (кг/час) жидкости от температуры t_2н (ºС) до температуры t_2к (ºС). Греющий теплоноситель - водяной пар. Давление пара - Р_абс (атм).

 

В результате расчета  определить:

1. Коэффициенты теплопередачи и коэффициент теплопередачи.
2. Поверхность теплообмена.
3. Основные размеры теплообменника.
4. Толщину изоляции и тепловые потери в окружающую среду.
5. Расход греющего пара.

 

Данные для расчета:

 

расположение теплообменника – горизонтальное

нагреваемая жидкость – раствор сахара 20 %

расход жидкости m = 23000 кг/ч или 6,39 кг/с

температура жидкости t_2н = 25 °C

температура жидкости t_2к = 102 °C

давление пара – Р_абс  = 0,28 МПа

скорость жидкости w = 0,6¸0,9 м/с;

внутренний диаметр  трубы d_в = 25¸40 мм;

толщина стенки трубы d_ст = 2,5¸4 мм.

 

Решение:

 

1.   Выбор конструктивных элементов и скорости жидкости

 

Произвольно зададимся следующими параметрами:

Материал: нержавеющая сталь

Скорость жидкости м/с

Внутренний диаметр  трубы d_вн = 30 мм

Толщина стенки трубы  мм

 

Число труб в одном  ходу n₁, шт, определяем по формуле:

 

,                                        (1)

 

где  m – расход жидкости, кг/с;

 – плотность жидкости (раствор сахара 20 %), кг/м³;

 

Определяющая температура  нагреваемой жидкости t_опр, °C, определяем по формуле:

 

,                                        (2)

 

 °C

 

Плотность раствора сахара (кг/м³) при температуре t_опр, °C определяется по формуле:

 

,    (3)

 

где b – концентрация раствора, %.

 

 кг/м³

 

 

  шт.

принимаем n₁ = 12.

 

Общее число труб в  пучке (расчетное), шт., определяем по формуле:

 

      (4)

 

где z_тр – количество ходов в теплообменнике, в соответствии с заданной производительностью z_тр принимаются 2; 4; 6.

 

 шт.

 

По справочным данным выбираем число труб в пучке n = 61, тогда уточним скорость движения жидкости, м/с по формуле:

 

 

 

                      (5)

 

 м/с

 

По давлению пара 0,28 МПа определяем температуру его насыщения t_s = 131,2 °C. Тогда разности температур в начале Δt_б, °C,  и в конце Δt_м, °C,  нагревания определяем по формулам:

,                                      (6)

 

 ,                                                     (7)

 

   

 

   

 

Среднюю разность температур определяем по формуле:

 

                                                (8)

 

 

 

2. Определение коэффициента теплоотдачи от стенки к нагреваемой жидкости.

В целях определения  режима движения жидкости в трубах, вычисляется критерий Рейнольдса по формуле:

 

,     (9)

 

где d_э = d_в – эквивалентный диаметр, м;     

     n - кинематическая вязкость, м²/с;

     µ - динамическая вязкость, Па·с.

 

 

Коэффициент теплоотдачи  определяется  для турбулентного  режима (Re >10 000) по формуле:

 

                  (10)

 

где Nu – критерий Нуссельта;

 Pr – критерий Прандтля.

 

Критерий Прандтля находим по формуле:

 

,       (11)

 

где с – удельная теплоемкость, Дж/(кг×°К);

   m - динамическая вязкость, Па×с;

   l - коэффициент теплопроводности, Вт/(м×°К).

 

Удельную теплоемкость раствора сахара (кДж/кг×°К) находим по формуле:

 

 ,   (12)

 

где  t – температура, ºС;

       b – концентрация, %.

 

 кДж/кг×К

 

Коэффициент теплопроводности сахарных растворов Вт/(м×К), находим по формуле:

 

,    (13)

 

где  l_в – коэффициент теплопроводности воды при температуре 63,5 ºС,         l_в = 0,665 Вт/(м×К);

        b – концентрация, %;

        К – безразмерный коэффициент.

 

 Вт/(м×К)

 

 

 

   

 

Температуру стенки рассчитываем как среднеарифметическую величину по формуле:

,      (14)

 

где можно  принять  , ºС

 

 ºС

 

Коэффициент теплоотдачи  к раствору сахара находим по формуле:

 

,       (15)

 

 

 

3. Определение коэффициента теплоотдачи от пара к стенки α₁  при конденсации водяного пара на поверхности пучка горизонтальных труб, среднее значение коэффициента теплоотдачи (Вт/(м²×К)) рассчитывают по формуле:

 

      (16)

 

где λ – теплопроводность пленки конденсата, Вт/(м×К);

     r - плотность конденсата, кг/м³;

     r – удельная теплота конденсата, Дж/кг;

     m - динамическая вязкость конденсата, Па×с;

    H – рабочая высота вертикальной трубы, м;

    Dt – разность температур пара и стенки, ºС;

    d_н – наружный диаметр труб, м;

    e  - коэффициент, зависящий от числа труб в горизонтальном ряду.

 

Физические параметры  конденсата водного пара при t_s=130  ºС:

λ=0,685 Вт/(м×К)

r =934,8 кг/м³

r = 2171 Дж/кг

µ =

e = 0,68

 

 

 ºС 

 

 Вт/(м²×К)

 

 

4. Определение коэффициента теплопередачи К по формуле:

 

,       (17)

 

где r_ст – термическое сопротивление загрязненной стенки, м²·К/Вт, определяется по формуле:

 

,       (18)

 

где d_ст, d_загр – толщина металлической стенки трубы и слоя загрязнения, м (d_загр принимают 0,5¸1,5 мм);

      l_ст, l_загр – коэффициенты теплопроводности металлической стенки и слоя загрязнения, Вт/(м×К) (l_загр принимается для накипи; l_ст принимается из справочных данных).

 

Принимаем d_загр =1 мм

l_ст = 17 Вт/(м×К)

l_загр = 1,4-3,1 Вт/(м×К)

 

 м²·К/Вт

 

 Вт/(м²×К)

 

5. Определение поверхности теплообмена и основных размеров теплообменника.

Поверхность теплообмена определяется по формуле:

 

,       (19)

 

где  Q – тепловая нагрузка, Вт, определяется по формуле:

 

,     (20)

 

где c – удельная теплоемкость нагреваемой жидкости, Дж/(кг×К).

 

 Вт

 

 м²

 

Для определения  длины труб (м) пользуемся соотношением:

 

,       (21)

 

где n - общее количество труб в пучке;

      d_р - расчетный диаметр, м.

 

Т.к. , то

 м

Диаметр кожуха определяется по формуле :

 

,      (22)

 

где b - число труб по диагонали шестиугольника;

      t = (1,3¸1,4)×d_н - шаг труб, м.

 

 

 м

 

 

6. Расчет изоляции и тепловых потерь в окружающую среду.

Толщина изоляционного  слоя (м) определяется из уравнения:

,                (23)

 

где  λ_из - коэффициент теплопроводности изоляционного материала, Вт/(м×К), шлаковая вата λ=0,07;

         - коэффициент теплопередачи в окружающую среду, Вт/(м²×К), определяется по формуле:

,      (24)

 

где - коэффициент теплоотдачи от поверхности изоляции к окружающему воздуху, Вт/(м²×К), определяется по формуле:

 

,     (25)

 

t_из = 60 ºС - допустимая температура поверхности изоляции, ºС;

t_воз=15¸25 ºС - температура окружающего воздуха, ºС.

 

 Вт/(м²×К)

 

 Вт/(м²×К)

 

м

Потери тепла  в окружающую среду, Вт, определяются по формуле:

 

,     (26)

 

где F_n - наружная поверхность теплообменника, м², определяется по формуле:

 

,    (27)

 

  м²

 

Вт

 

7. Определение расхода греющего пара , кг/с, определяется по формуле:

 

 ,      (28)

 

где - энтальпии пара и конденсата, Дж/кг.

 

  кг/с