microbik.ru
1


КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА № 2
Рассчитать кожухотрубчатый теплообменник для нагревания m (кг/час) жидкости от температуры t (ºС) до температуры t (ºС). Греющий теплоноситель - водяной пар. Давление пара - Рабс (ат).

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.



№ ва-рианта

Расположение теплообменника

Нагреваемая

жидкость

m, кг/ч

t, ºС

t, ºС

Рабс, ат

56

Горизонтальное расположение теплообменника

Уксусная кислота

100 %

24 000

19

102

2,5


МЕТОДИКА РАСЧЕТА
Выбор конструктивных элементов и скорости жидкости

Учитывая условия теплообмена и удобство эксплуатации, жидкость необходимо направить по трубам, а пар - в межтрубное пространство. Скорость движения жидкости в трубах должна обеспечить достаточно интенсивный теплообмен и не вызвать сильного возрастания гидравлических соединений. На основании практических данных рекомендуется принять:

  1. скорость жидкости  = 0,60,9 м/с;

  2. внутренний диаметр трубы dв = 2540 мм;

  3. толщину стенки трубы ст = 2,54 мм.

Выбор размеров труб производится по табл. 1 приложения.

Число труб в одном ходу
n1 = (1)
где m - расход жидкости, кг/с;

dв - внутренний диаметр трубы, м;

 - плотность жидкости, кг/м3;

- скорость жидкости, м/с.

Все физические константы нагреваемой жидкости берут из таблиц в приложении, при определяющей температуре tопр (ºС)

Общее число труб в пучке (расчетное)
n = n1 zтр, (2)
где zтр - количество ходов в теплообменнике.
В соответствии с заданной производительностью zтр принимаются 2; 4; 6.

Располагая трубы по периметрам шестиугольников, выбирают из табл. 2 приложения ближайшее значение n и, уточняя n1 из уравнения (2), пересчитывают скорость движения жидкости по уравнению (1). Скорость жидкости должна быть в пределах 0,60,9 м/с. Если  < 0,6 м/с или  > 0,9 м/с, то выбирают новое значение общего числа труб из табл. 2 приложения, уточняют число труб в одном ходу и уточняют скорость.

1. Определение среднего температурного набора

Средняя разность температур между паром и нагреваемой жидкостью (температурный напор) определяется как среднелогарифмическое из значений наибольшей и наименьшей разностей температур:
(3)
где tб = ts - t , град;

tм = ts - t, град;

ts - температура пара, ºС (см. табл. 30 приложения).
Если отношение tб /tм  2, то с достаточной точностью можно пользоваться среднеарифметическим значением:
(4)
2. Определение коэффициента теплоотдачи от стенки к нагреваемой жидкости

В целях определения режима движения жидкости в трубах, вычисляется критерий Рейнольдса:
Re = (5)
где dэ = dв - эквивалентный диаметр, м;

 - кинематическая вязкость, м2/с;

µ - динамическая вязкость, Па·с.
Пересчет динамической вязкости , выраженной в сантипуазах (СПЗ), в кинематическую производится по формуле:
= (6)
Коэффициент теплоотдачи определяется по следующим критериальным уравнениям:

а) для турбулентного режима (Re >10 000)
u = 0,023 Re0,8Pr0,43; (7)
б) для переходного режима (Re = 230010 000)
u = 0,008 Re0,9Pr0,43; (8)

в) для ламинарного режима (Re < 2300)
u = 0,17 Re0,33Pr0,43Gr0,1, (9)
где u - критерий Нуссельта
(10)

Pr - критерий Прандтля
Pr (11)
Gr - критерий Грасгофа
Gr (12)
где Δt2 - разность температур стенки и продукта: Δt2 = tст - tопр;

с - удельная теплоемкость, Дж/(кгК);

- динамическая вязкость, Пас;

 - коэффициент теплопроводности, Вт/(мК);

 - коэффициент объемного расширения жидкости.
Температуру стенки рассчитывают как среднеарифметическую величину:
(13)
Можно принять tконд = ts (ºС).
Определив критерии Re, Pr, Gr, из критериального уравнения находят значение критерия u, а затем вычисляют коэффициент теплоотдачи из формулы:

(14)
3. Определение коэффициента теплоотдачи от пара к стенке 1

В случае конденсации водяного пара на пучке n вертикальных труб высотой Н, диаметром dн среднее значение коэффициента теплоотдачи (Вт/(м2К)) определяют по формуле:
. (15)
В случае конденсации водяного пара на поверхности пучка горизонтальных труб среднее значение коэффициента теплоотдачи (Вт/(м2К)) рассчитывают по формуле:
, (16)
где - теплопроводность пленки конденсата, Вт/(мК);

 - плотность конденсата, кг/м3;

r - удельная теплота конденсата, Дж/кг (см. табл. 30 приложения);

 - динамическая вязкость конденсата, Пас;

H - рабочая высота вертикальной трубы, м;

t - разность температур пара и стенки, ºС;

dн - наружный диаметр труб, м;

 - коэффициент, зависящий от числа труб в вертикальном ряду (см. табл. 2 приложения).
Все физические константы пленки конденсата (воды) берут из табл. 3 приложения при определяющей температуре пара ts. Рабочую высоту вертикальной трубы принимают в пределах 2-6 м.

4. Определение коэффициента теплопередачи

Коэффициент теплопередачи (Вт/м2К) для труб (цилиндрических стенок), если dн/dв 2, можно определить по формуле для плоских стенок:

, (17)
где rст - термическое сопротивление загрязненной стенки, м2·ºК/Вт.

(18)
где ст, загр - толщина металлической стенки трубы и слоя загрязнения, м (загр принимают 0,51,5 мм);

ст, загр - коэффициенты теплопроводности металлической стенки и слоя загрязнения, Вт/(мК) (загр принимается из табл. 22 приложения для накипи; ст принимается из табл. 22 приложения).
5. Определение поверхности теплообмена и основных размеров теплообменника

Поверхность теплообмена определяется из уравнения:
(19)
где Q - тепловая нагрузка, Вт.
, (20)
где с - удельная теплоемкость нагреваемой жидкости, Дж/(кгК).

Для определения длины труб (м) пользуются соотношением:
Н(l)=, (21)
где n - общее количество труб в пучке;

dр - расчетный диаметр, м.
В качестве расчетного диаметра принимают:

При 1 > a2 dр = dвн

При 1  a2 dр = 0,5(dвн+ dн)

При 1< a2 dр = dн

Диаметр кожуха
Дк = t(в - 1) + 4dн, (22)
где в - число труб по диагонали шестиугольника (см. табл. 2 приложения);

t = (1,31,4)dн - шаг труб, м.
6. Расчет изоляции и тепловых потерь в окружающую среду

Толщина изоляционного слоя (м) определяется из уравнения:

, (23)
где λиз - коэффициент теплопроводности изоляционного материала, Вт/(мК) (см. табл. 22 приложения);

- коэффициент теплопередачи в окружающую среду, Вт/(м2К).

(24)
где - коэффициент теплоотдачи от поверхности изоляции к окружающему воздуху, Вт/(м2К)
n = 9,3 + 0,06tиз; (25)
tиз = 60 ºС - допустимая температура поверхности изоляции, ºС;

tвоз=1525 ºС - температура окружающего воздуха, ºС.
Потери тепла в окружающую среду (Вт) определяются по формуле:

Qпот = КnFn(ts - tвоз), (26)
где Fn - наружная поверхность теплообменника, м2.
Fn  ДкН + Дк2/2
7. Определение расхода греющего пара (кг/с)
D = , (27)
где - энтальпии пара и конденсата, Дж/кг (берутся из табл. 30 приложения по заданному давлению).