ргр. ПАХТ. Расчет кожухотрубчатого теплообменника

• Название: Расчет кожухотрубчатого теплообменника
• Дата: 09.03.2021
• Размер: 81.53 Kb.
• Имя файла: ПАХТ.docx
• Тип: Документы; #183067

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 выданном варианте предусматривается наличие поперечных перегородок в межтрубном пространстве теплообменника. Площадь проходного сечения в вырезе перегородки S_ПЕР составляет 25% от площади сечения межтрубного пространства S₂.

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;

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.

Таблица 1

Исходные данные

	Трубное пространство теплообменника					Межтрубное
	теплоноситель «1»	Р1, МПа	tH1, °С	tК1, °С	ω1, м/с		теплоноситель «2»
11	Воздух	0,20	300	200	10,0		Этан

Таблица 7.2

№	Пространство теплообменника			Геометрические размеры теплообменника
	Р2, МПа	tH2, °С	tК2, °С		D, мм	d δ, мм	n	L,м	Z	F, м2
11	0,15	50	180		400	25 2	100	4,0	2	31,0

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.
Выполнение работы

Рассчитать горизонтальный кожухотрубчатый теплообменник
(рис. 7.10) при следующих условиях:

теплоноситель «1» - воздух (Р₁ = 0,20 МПа ( 2,04 кгс/см²); ω₁ = 10 м/с; t_H1= 300 °С; t_К1 = 200°С);

теплоноситель «2» - этан (Р₂ = 0,15 МПа ( 1,53 кгс/см²); t_H2 = 50°С; t_К2 = 180°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= 400 мм; d δ = 25 2 мм; n =100; L = 4 мм; Z = 2; F= 31 м².

В межтрубном пространстве теплообменника поперечные перегородки отсутствуют.

1. Определение средней разности температур между теплоносителями.

Температурная схема при противотоке:

tH1 = 300°С tК1 = 200°С

tК2 = 180°С tH2 = 50°С

∆ tБ = 300-200 = 100°С;

∆ tМ = 180-50 = 130°С

Для кожухотрубчатых теплообменников с четным числом кодов по трубному пространству и одним ходом в межтрубном пространстве средняя разность температур ∆tСР 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, определяется как:



Средняя температура воздуха ∆t_СР2 определяется по следующей формуле [1, с. 167]:

t_СР2=t_СР1+∆ t_СР



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

Таблица 3

Теплофизические свойства теплоносителей.

Теплоноситель	tСР,°С	ρ, кг/м3	С, Дж/(кг )	µ 103, Па с	λ, Вт/м
Воздух	250	784	4949	0,027	0,0606
Этан	341,8	580	3741	0,776	0,059

4.Определение объемного и массового расхода воздуха.

Объемный расход воздуха:

м³/с

где м².

Массовый расход воздуха

кг/c

5. Определение теплового потока в аппарате:

Вт,

где С₁ - теплоемкость воздуха при температуре t_СР1 (табл. 3).

6. Определение объемного и массового расхода воды.

Массовый расход воды

кг/c

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

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 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].

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 :



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:

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 .

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.

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.