Расчет кожухотрубного теплообменника

Исходные данные

Производительность G, кг/ч.

Температура продукта:

- начальная – t_н

- конечная - t_к

Давление греющего пара – Р, бар

Продукт – по таблице 11.1

1 Выбор конструктивных элементов и скорости движения продукта

Предварительно принимается скорость движения продукта в пределах

w = 0,6…0,9 м/с,

определяется число труб в одном ходу

n 0 = 1,27 * G / 3600*dB2*r* w,

(11.1)

где r - плотность продукта при средней температуре, кг/м³;

G – производительность, кг/ч;

d_B – внутренний диаметр труб, d_B = 25…40 мм;

Общее число труб в пучке:

n = n 0 * ZTp,

(11.2)

где Z_Tp - количество ходов теплообменника, принимается Z_Tp = 2,4,6,8

Выбирается схема расположения труб в трубной решетке (по правильным шестиугольникам или концентрическим окружностям) общее число труб округляем до ближайшего значения из таблицы 4 [1] и уточняется скорость движения продукта из формулы (1)

1.2 Определение средней разности температур

Средняя разность температур межу паром и продуктом (температурный напор) определяется как средняя логарифмическая из значений Dt_б и Dt_м при

Dt_б / Dt_м ³ 2

по формуле

Dtср = (Dtб - Dtм) / ln Dtб / Dtм

(11.3)

Если Dt_б / Dt_м < 2, то с достаточной степенью точности можно пользоваться среднеарифметическим значением

Dtср = (Dtб + Dtм) / 2

(11.4)

 

1.3 Определение коэффициента теплотдачи от стенки к нагреваемой жидкости

Для определения режима движения жидкости в трубах, вычисляется критерий подобия Рейнольдса

Re = w dэ / n,

(11.5)

где n - кинематическая вязкость продукта, м2 / с

dэ = dв – эквивалентрый диаметр, м

Коэффициент теплоотдачи от стенки к нагреваемой жидкости определяется по следующим критериальным уравнениям:

а) для турбулентного режима движения продукта (Re>10000) критериальное уравнение для Nu имеет вид:

Nu = 0,023*Re ° 8 * Pr ° 4,

(11.6)

б) для переходного режима (Re = 2300…10000)

Nu = 0,008*Re ° 9 * Pr ° 43,

(11.7)

где Nu – критерий Нуссельта, Nu = a₂ d_э / l

Pr = n / а – критерий Прандтля

а = l / с r - коэффициент температуропроводности, м² /с

l - коэффициент теплопроводности продукта, Вт / м К

С_пр - удельная теплоемкость продукта, Дж/(кг К)

Все физические константы продукта берутся из таблиц при определяющей температуре

t_опр = t_н + t_к / 2

Затем вычисляется коэффициент теплоотдчи из формулы (11.7)

a₂ = Nu l / d_э

1.4 Определение коэффициента теплоотдачи от пара к стенке и коэффициента теплопередачи

Для определения коэффициента теплоотдачи при конденсации пара на наружной поверхности горизонтального пучка труб используется следующее критериальное уравнение

Nu = 0,72 e (Ga Pr K)0,25,

(11.8)

где e - поправочный коэффициент, учитывающий компоновку поверхности нагрева;

Ga = g l³ / n² - критерий Галилея;

Рг = n / а - критерий Прандтля;

К = r / с Dt₁ - критерий конденсации (Кутателадзе);

Nu = a₁ l / l - критерий Нуссельта

Здесь:

g = 9,81 м / с² – ускорение силы тяжести;

с – удельная теплоемкость конденсата, Дж / кг К;

r – удельная теплота конденсации, Дж / кг;

n - коэффициент кинематической вязкости пленки конденсата, м² / с;

а - коэффициент температуропроводности, м² /с;

l - коэффициент теплопроводности пленки конденсата, Вт / м К;

a_{1 -} коэффициент теплоотдачи от пара к стенке, Вт / м² К;

l – определяющий геометрический размер, м;

для горизонтального пучка труб l = d_н – наружный диаметр труб пучка;

Dt₁ – температурный напор в пограничном слое, ⁰С

Все физические константы пленки конденсата принимаются при t_опр = t_s – температура пленки конденсата на поверхности пучка труб

Уравнение (11.8) решается относительно a₁ и приводится к виду:

a1 = А / Dt10,25,

(11.9)

где А – симплекс параметров пленки конденсата, определяемый по формуле

А=0,72e l (g r / n а с dн)0,25,

(11.10)

Поскольку величина температурного напора в пограничном слое (Dt₁) неизвестна задаемся несколькими значениями Dt:

Dt₁¹ = 0,1Dt_cp, Dt₁² = 0,15Dt_cp, Dt₁³ = 0,2Dt_cp

Определение коэффициента теплопередачи

K= 1 / (1 /a1 + 1 /a2 + Rcт),

(11.11)

где: R_cт - термическое сопротивление стенки, м² К / Вт

R_cт = d_cт / l _cт + d_заг / l _заг

d _cт – толщина стенки труб, м, d _cт = 1,5…2,5 мм;

d_заг - толщина слоя накипи, м, d_заг = 0,5…1,0 мм;

l _cт, l _заг – теплопроводность, соответственно стали и слоя накипи

Для принятых приближений определяем коэффициент теплопередачи К по формуле (11.11), затем удельный тепловой поток

q = Dt1 a1,	(11.12)
Dt = q / К, 0С,	(11.13)

Вычисленные значения сводим в таблицу 11.1

Таблица 11.1 – Результаты расчета

Определяемая величина	Размер- ность	Температурный напор
Dt11 = 0,1Dtcp	Dt12 = 0,15Dtcp	Dt13 = 0,2Dtcp
a1	Вт / м2 К
К	Вт / м2 К
q	Вт / м2
Dt	0С

По полученным данным строим нагрузочную характеристику в виде графика функции Dt = f(q) и по известной величине Dtcp определяем значение удельного теплового потока (рисунок 11.1)

Рисунок 11.1 – Определение полезной разности температур

Определяется коэффициент теплопередачи по формуле

К = q / Dtcp, Вт / м2 К,

(11.14)

Определение тепловой нагрузки аппарата

Тепловая нагрузка определим по уравнению теплового баланса:

Q = G Спр (tк - tн),

(11.15)

где G - производительность теплообменника, кг/с;

6 Определение поверхности теплообмена и основных размеров теплообменника

Поверхность теплообмена определяется по формуле:

F = Q / К Dtcp, м2,

(11.16)

Длина труб в пучке по формуле

L= F / p dр n, м,

(11.17)

n – общее число труб в пучке

В качестве расчетного диаметра принимают:

при a1 > a2 dр = dв

при a1 = a2 dр = (dв + dн) /2

при a1 < a2 dр = dн

Диаметр кожуха теплообменника по формуле

DK = t - (b - l) + 4 dн, м

(11.18)

t- шаг расположения труб по трубной решетке, м,

t = (1,3…1,4) dн

b - число труб по диогонали наибольшего шестиугольника

Таблица 11.1 – Индивидуальные задания

Вариант	Продукт	СВ,%	G, кг/ч	tн	tк	Р, бар
	Сахароза					1,4
	Сахароза					1,6
	Сахароза					1,3
	Поваренная соль					1,8
	Поваренная соль					2,5
	Поваренная соль					2,2
	Уксусная кислота					2,3
	Уксусная кислота					2,5
	Уксусная кислота					3,1
	Молоко	12,5				1,1
	Молоко	9,0				1,2
	Молоко	9,0				1,3
	Этанол					1,1
	Этанол					1,1
	Молочная сыворотка					1,05
	Молочная сыворотка					1,05
	Молочная сыворотка					1,05

РАСЧЕТНО - ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ № 12

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: