РАСЧЕТ кожухотрубчатого теплообменника. Расчет кожухотрубчатого теплообменника

• Название: Расчет кожухотрубчатого теплообменника
• Дата: 06.10.2022
• Размер: 266.26 Kb.
• Имя файла: РАСЧЕТ кожухотрубчатого теплообменника.docx
• Тип: Документы; #718881

РАСЧЕТ кожухотрубчатого теплообменника

Рассчитать горизонтальный кожухотрубчатый теплообменник, в трубном пространстве которого при давлении Р₁ движется теплоноситель «1» со средней скоростью ω₁. Теплоноситель «1» охлаждается (нагревается) от начальной температуры t_H1 до конечной t_К1. В межтрубное пространство теплообменника подается теплоноситель «2» при давлении P₂. Температура теплоносителя «2» изменяется от начальной t_H2 до конечной t_К1. Трубы в теплообменнике стальные с незначительной коррозией, расположение труб шахматное.

Геометрические размеры теплообменника:

диаметр кожуха D, мм;

диаметр труб d δ, мм,

общее число труб n;

длина труб L,м;

число ходов в трубном пространстве Z;

площадь поверхности теплообмена F, м².

В вариантах 1-15, 29-35 заданием предусматривается наличие поперечных перегородок в межтрубном пространстве теплообменника. Площадь проходного сечения в вырезе перегородки S_ПЕР составляет 25% от площади сечения межтрубного пространства S₂. В вариантах 16 - 28 контрольного задания теплообменники не имеют поперечных перегородок в межтрубном пространстве.

Требуется определить:

среднюю разность температур между теплоносителями;

среднюю температуру каждого теплоносителя;

теплофизические свойства теплоносителей при их средних температурах;

массовый и объемный расход теплоносителя «1»;

тепловую нагрузку аппарата;

массовый и объемный расход теплоносителя «2»;

среднюю скорость теплоносителя «2»;

значение критерия Рейнольдса и режим движения каждого теплоносителя;

расчётные коэффициенты теплоотдачи со стороны каждого теплоносителя;

расчётный коэффициент теплопередачи без учёта загрязнений стенки;

расчётный коэффициент теплопередачи с учётом загрязнений стенки;

температуру стенки со стороны каждого теплоносителя;

1

уточнённый коэффициент теплопередачи;

диаметры штуцеров для подачи теплоносителей (принимая допустимые скорости движения теплоносителя по трубам). Подобрать штуцера, исходя из ряда условных диаметров D_У: 20, 25, 32, 40, 50, 70, 80, 100, 125, 175, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500 мм;

гидравлическое сопротивление трубного и межтрубного пространства для изотермического потока, а также число перегородок в межтрубном пространстве, если их наличие в теплообменнике предусмотрено заданием;

необходимую площадь поверхности теплообмена.

	Трубное пространство теплообменника					Межтрубное
	теплоноситель «1»	Р1, МПа	tH1, °С	tК1, °С	ω1, м/с		теплоноситель «2»
1	Аммиак (газ)	0,30	100	5	6,0		22,4%-ный раствор NaCl
2	Аммиак (газ)	0,30	90	30	8,0		Вода
3	Аммиак (газ)	0,50	20	70	13,0		Водяной конденсат
4	Азот	0,15	20	100	10,0		Водяной конденсат
5	Азот	0,15	100	20	9,0		Вода
6	Вода	0,60	20	35	0,05		Азот
7	Водяной конденсат		180	100	0,02		Воздух
8	15%-ный раствор NaCl	0,20	10	5	0,03		Воздух
9	Вода	0,60	25	40	0,01		Воздух
10	Вода	0,60	20	30	0,04		Этан
11	Воздух	0,20	300	200	10,0		Этан
12	Этан	0,40	60	250	6,0		Этилен
13	Этилен	0,20	60	5	10,0		24,7%-ный раствор СaCl2
14	Этилен	0,20	60	5	5,0		24,7%-ный раствор СaCl2
15	Этилен	0,80	100	50	4,0		Вода
16	Анилин	0,20	180	60	0,6		Вода
17	Ацетон	0,20	56	40	0,5		Вода
18	Бензол	0,20	80	60	0,4		Вода
19	Бутиловый спирт	0,15	117	40	0,9		Вода
20	Метиловый спирт	0,15	64	38	1,0		Вода
21	Октан	0,17	136	45	0,6		Вода
22	Сероуглерод	0,12	46	25	0,6		Вода
23	Толуол	0,15	110	70	0,5		Вода
24	Четыреххлористый углерод	0,12	76	42	0,4		Вода
25	Этиловый спирт	0,15	78	38	0,5		Вода
26	Гексан	0,20	70	40	0,7		Вода
27	Анилин	0,15	180	75	0,6		Вода
28	Ацетон	0,20	50	38	0,8		Вода
29	Бензол	0,18	80	50	0,7		Вода
30	Бутиловый спирт	0,20	117	60	0,8		Вода
31	Метиловый спирт	0,16	64	40	0,8		Вода
32	Октан	0,18	130	80	0,7		Вода
33	Сероуглерод	0,20	46	28	0,7		Вода
34	Толуол	0,21	110	80	0,4		Вода
35	Этиловый спирт	0,23	78	45	0,4		Вода

3

Таблица 7.1

№	Пространство теплообменника			Геометрические размеры теплообменника
	Р2, МПа	tH2, °С	tК2, °С	D, мм	d δ, мм	n	L,м	Z	F, м2
1	0,20	-15	-5	500	20 2	202	3,0	2	38,0
2	0,60	7	20	600	20 2	370	2,0	2	47,0
3	0,20	110	60	600	20 2	389	2,0	1	49,0
4	0,50	150	120	400	20 2	166	4,0	2	42,0
5	0,60	20	40	400	25 2	111	3,0	1	26,0
6	0,12	80	50	325	20 2	100	1,5	1	9,5
7	0,12	20	120	400	25 2	100	4,0	2	31,0
8	0,12	70	25	273	25 2	37	1,0	1	3,0
9	0,40	150	60	600	20 2	389	2,0	1	49,0
10	0,20	90	30	273	20 2	61	2,0	1	7,5
11	0,15	50	180	400	25 2	100	4,0	2	31,0
12	0,40	300	100	600	25 2	257	4,0	1	81,0
13	0,20	-20	0	800	25 2	404	2,0	4	63,0
14	0,20	-20	-10	400	20 2	156	2,0	2	21,0
15	0,60	25	40	500	25 2	132	6,0	2	62,0
16	0,12	25	40	1200	25 2	1090	6,0	2	59
17	0,15	25	40	1200	25 2	1090	4,0	2	338
18	0,18	20	40	1000	25 2	754	6,0	2	353
19	0,18	25	35	1000	25 2	754	4,0	2	234
20	0,20	25	40	1000	25 2	754	3,0	2	175
21	0,15	20	36	800	25 2	450	6,0	2	212
22	0,22	10	25	600	25 2	244	6,0	2	114
23	0,17	25	40	600	25 2	244	3,0	2	57
24	0,15	24	35	400	25 2	100	4,0	2	31
25	0,20	24	35	400	25 2	100	2,0	2	15
26	0,20	21	35	325	25 2	52	1,5	2	6,0
27	0,18	25	35	1000	25 2	702	3,0	2	163
28	0,20	24	35	800	25 2	408	4,0	2	128
29	0,21	25	35	1200	25 2	1028	6,0	4	479
30	0,19	23	40	1200	25 2	1028	4,0	4	479
31	0,17	20	35	1000	25 2	702	6,0	4	329
32	0,20	25	40	1000	25 2	702	4,0	4	218
33	0,18	18	26	800	25 2	408	4,0	4	20
34	0,19	25	40	800	25 2	408	3,0	4	20
35	0,20	25	40	800	25 2	210	4,0	4	14

Примечание. Теплофизические свойства некоторых веществ приведены в приложении.
Сделать вывод о том, достаточна ли площадь поверхности теплообменника с заданными геометрическими характеристиками для проведения процесса в определенном заданием температурном интервале.

Рассчитать горизонтальный кожухотрубчатый теплообменник
(рис. 7.10) при следующих условиях:
4
теплоноситель «1» - метиловый спирт (Р₁ = 0,098 МПа

( 1 кгс/см²); ω₁ = 0,8 м/с; t_H1= 60°С; t_К1 = 40°С);

теплоноситель «2» - вода (Р₂ = 0,196 МПа ( 2 кгс/см²);

t_H2 = 25°С; t_К2 = 35°С).



Рис. 7.10. Схема двухходового горизонтального кожухотрубчатого теплообменника:
1 - корпус, 2 - трубный пучок, 3 - штуцера для теплоносителя «2», 4 - распределительная камера, 5 - перегородка, 6 - штуцера для теплоносителя «1»

Геометрические характеристики теплообменника: D= 1200 мм; d δ = 25 2 мм; n = 1090; L = 9,0 мм; Z = 2; F= 765 м².

В межтрубном пространстве теплообменника поперечные перегородки отсутствуют.

1. Определение средней разности температур между теплоносителями.

Температурная схема при противотоке:

t_H1= 60°С t_К1 = 40°С

t_К2 = 35°С t_H2 = 25°С

∆ t_Б = 60-35 = 25°С; ∆ t_М = 40-25 = 15°С

Для кожухотрубчатых теплообменников с четным числом кодов по трубному пространству и одним ходом в межтрубном пространстве средняя разность температур ∆t_СР определяется по формуле [1, с. 167]



где А =
2.Определение средней температуры теплоносителей.

В рассматриваемом случае (t_К2 - t_H2)< (t_Н1 - t_К1), поэтому средняя температура теплоносителя с меньшим изменением температур, т. е. воды,

5

определяется по соотношению



Средняя температура метилового спирта ∆t_СР1 определяется по формуле (4.82) [1, с. 167]:

t_СР1=t_СР2+∆ t_СР

3. При средних температурах теплоносителей определяются их теплофизические свойства, значения которых затем заносятся в табл. 2.

4.Определение объемного и массового расхода метилового спирта .

Объемный расход метилового спирта

м³/с

где м².

Таблица 7.2

Теплофизические свойства теплоносителей.

Теплоноситель	tСР,°С	ρ, кг/м3	С, Дж/(кг К)	µ 103, Па с	λ, Вт/м К
Метиловый спирт	47,75	765	2640	0,410	0,208
Вода	30,00	996	4180	0,804	0,618
Источники информации	[1, с. 195, 520] [1, с. 544, 520] [1, с. 538, 520] [1, с. 520, 543]

Массовый расход метилового спирта

кг/c

5. Определение теплового потока в аппарате:

Вт,

где С₁ - теплоемкость метилового спирта при температуре t_СР1 (табл. 2).
6. Определение объемного и массового расхода воды.

Массовый расход воды

кг/c

где С₂ - теплоемкость воды при температуре t_СР2 (табл. 2)

6
Объемный расход воды

м³/с

где - плотность воды при температуре t_СР2

7. Определение средней скорости воды:

м/с

где м²

8. Определение значений критериев Рейнольдса и режимов течения теплоносителей.

Для метилового спирта



где - эквивалентный диаметр трубы; = ; - вязкость метилового спирта при температуре t_СР1 (табл. 2).

Для воды



где - эквивалентный диаметр межтрубного пространства теплообменника. При продольном обтекании труб

м.
Рассчитанные значения критериев Рейнольдса используются для определения режима движения теплоносителей. Для метилового спирта Re₁ = 31350>10⁴, поэтому режим ого течения по трубам теплообменника является устойчиво турбулентным. Режим течения воды в межтрубном пространстве теплообменника является неустойчиво турбулентным (переходным), так как Re₁ =8273 < 10⁴.

9. Определение расчетных коэффициентов теплоотдачи.

Метиловый спирт. Расчет критерия Нуссельта при развитом турбулентном течении в прямых трубах (Re >10⁴) осуществляется по

7

формуле (4.17) [1, с. 150]:



где

Определяющей температурой является средняя температура потока =1 при [1, с. 151].

Ориентировочно принимается, что =1. Тогда



Вт/(м² К).
Вода. В случаях, когда 23004, для расчета коэффициента теплоотдачи рекомендуется приближенное уравнение (4.23) [1, с. 151]:



Определяющей температурой является средняя температура t_СР2.

=5,42 [1, с. 520].



Вт/(м² К).

10. Расчетный коэффициент теплопередачи без учета загрязнений стенки

Вт/(м² К),

где =46,5 Вт/(м К) - теплопроводность стенки [1, с. 512].

8

11. Расчетный коэффициент теплопередачи с учетом загрязнений стенки

= 552 Вт/(м² К),

где ( , - соответственно загрязнения стенки со стороны метилового спирта и воды). Значения принимаются на основании рекомендаций, приведенных в табл. 31 [1, с. 514].

12. Определение температуры стенки со стороны метилового спирта и со стороны воды (рис. 7.11,а):



Рис. 7.11. Теплопередача через плоскую стенку

;



13. Уточнение расчетного коэффициента теплопередачи.

Определение коэффициента теплоотдачи со стороны метилового спирта с учетом направления теплового потока :

9



где , , - берутся при температуре , = 2597,8 Дж/(кг К)
[1, с. 544], = 0,48 10^-3 Па/с [1, с. 538], = 0,209 Вт/(м К) [1, с. 543],



Вт/(м2 К).

Коэффициент теплопередачи со стороны воды не пересчитывается, так как в расчетное уравнение (4.23) температура стенки не входит.

Определение уточненного коэффициента теплопередачи:

Вт/(м² К).

Уточнение температуры стенки:





Так как и то пересчета производить не следует.

14. Расчет диаметров штуцеров для метилового спирта.

Скорость метилового спирта в штуцере принимается ориентировочно [1, с. 10], = 2,0 м/с.

Диаметр штуцеров для метилового спирта

м.

По ОСТ 26-1404-76 выбираются штуцера с условным диаметром D_y1 = 300 мм.

Уточнение скорости метилового спирта в штуцере:

10

м/с.

15. Расчет диаметров штуцеров для воды.

Ориентировочно принимается скорость воды в штуцере [1, с.10] = 1,5 м/с. Скорость воды в штуцере принята меньше, чем скорость метилового спирта, так как вязкость .

Диаметр штуцера для подачи воды

м.

По ОСТ 26-1404-76 выбирается штуцер с условным диаметром
D_y2 = 350 мм.

Уточнение скорости воды в штуцере:

м/с.

16. Расчет гидравлического сопротивления теплообменника (трубное пространство).

Потеря давления на преодоление трения в трубах

Па.

Здесь - коэффициент трения. Для стальных труб с незначительной коррозией принимается шероховатость e= 0,2 мм [1, с. 502], отношение d_экв/e = 21/0,2=105. Для Re₁ = 31350 и d_экв1/e =105 =0,037 [1, с. 19].

Для расчета потерь давления на преодоление местных сопротивлений используются данные, приведенные в табл. 3. Если скорость в штуцере больше скорости в трубах , потери давления для входной и выходной камер определяются по скорости в штуцерах, а потери при входе и выходе из труб и при повороте из одного хода в другой - по скорости в трубах .

11

Таблица 7.3

Виды местных сопротивлений в трубном пространстве теплообменника и коэффициента сопротивлений [1, с. 24]

Виды сопротивлений в трубном пространстве теплообменника
Входная и выходная камера	1,5	1,5 2
Вход в трубы и выход из них	1,0	1,0 2
Поворот между ходами на 180°	2,5	2,5

∆Р_м.с1 = ∑ξ₁₁ ∙ ρ₁ (ω'_ш1)²/2 + (∑ξ₁₂ + ∑ξ₁₃) ∙ ρ₁ (ω₁)²/2 = 1,5 ∙765 ∙2,14²/2 +
+ (1,0 ∙2 + 2,5) ∙765 ∙0,8²/2 = 6846,3 Па.

Гидравлическое сопротивление трубного пространства теплообменника:

∆Р₁ = ∆Р_тр1 + ∆Р_м.с1 = 7763,7 + 6846,3 = 14610 Па.

17. Расчет гидравлического сопротивления в межтрубном пространстве теплообменника.

Потеря давления на преодоление трения в межтрубном пространстве:

∆Р_тр1 = λ''∙(L/d_экв)∙(ω₁²/2)∙ρ₂ = 0,0403∙(9/0,0267)∙(0,25²/2)∙996 = 422,8 Па.

Для Re = 8273 и d_экв/e = 26,7/0,2 = 133; λ'' = 0,0403.

Для расчета потерь давления на преодоление местных сопротивлений в межтрубном пространстве теплообменника используются данные приведенные в табл. 7.4.

Таблица 7.4

Виды местных сопротивлений в межтрубном пространстве теплообменника
и коэффициенты сопротивлений

Виды сопротивлений в межтрубном пространстве теплообменника	ξ2	∑ξ2
Вход в межтрубное пространство и выход из него	1,5	1,5∙2
Поворот на 900 в межтрубном пространстве	1,0	1,0∙2

Сопротивление в межтрубном пространстве
∆Р_м.с2 = ∑ξ₂₁ ∙ ρ₂ (ω'_ш2)²/2 + ∑ξ₂₂ ∙ ρ₂ (ω₂)²/2 = 1,5 ∙2 ∙996 ∙1,56²/2 +
+ 1,0 ∙2 ∙996 ∙0,25²/2 = 36358 + 62,3 = 3698,1 Па.

12

Гидравлическое сопротивление межтрубного пространства

∆Р₂ = ∆Р_тр2 + ∆Р_м.с2 = 422,8 + 3698,1 = 4120,9 Па.

18. Определение расчетной площади поверхности теплообмена

F_р = Q/(K'∙∆t_cp) = 6108265/(546∙17,75) = 630,3 м².

19. У предлагаемого к использованию теплообменника площадь поверхности теплообменна составляет 765 м², необходимая площадь поверхности теплообмена, опредленная расчетом, равна 630,3 м². Запас площади поверхности теплообмена составляет:

(F – F_р)∙100/F = (765 – 630,3)∙100/765 = 14,6 %.

Такой запас площади поверхности теплообмена является достаточным, следовательно, теплообменник с F = 765 м² может быть использован для охлаждения метилового спирта от t_к1 = 60 °С до t_к2 = 40 °С.

13