Данные для определения числа труб по вертикали

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Уфимский государственный нефтяной технический университет»

Кафедра «Технологические машины и оборудование»

 

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

для выполнения практических занятий

РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕННИКА

по дисциплине «Тепло- и массообменные процессы и аппараты технологических систем» для студентов дневного и заочного отделения

специальности 151000 «Технологические машины и оборудование»

 

Уфа 2015

 

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 4

1 Общие методические указания 4

2 Порядок расчета теплообменников 5

2.1 Определение коэффициентов теплоотдачи 6

2.2 Уравнения для расчета коэффициентов теплоотдачи для установившихся тепловых процессов 7

3 Расчет холодильника 11

4 Расчет конденсатора 18

5 Расчет кипятильника (испарителя) 24

Список используемых источников 31

ПРИЛОЖЕНИЯ 35

ПРИЛОЖЕНИЕ А 35

ПРИЛОЖЕНИЕ Б 36

ПРИЛОЖЕНИЕ В 37

ПРИЛОЖЕНИЕ Г 38

ПРИЛОЖЕНИЕ Д 39

ПРИЛОЖЕНИЕ Е 40

ПРИЛОЖЕНИЕ Ж 41

ПРИЛОЖЕНИЕ И 42

ПРИЛОЖЕНИЕ К 43

ПРИЛОЖЕНИЕ Л 44

ПРИЛОЖЕНИЕ М 45

ПРИЛОЖЕНИЕ Н 47

ПРИЛОЖЕНИЯП 49

ПРИЛОЖЕНИЕ Р 50

ПРИЛОЖЕНИЕ С 51

ПРИЛОЖЕНИЕ Т 52

ПРИЛОЖЕНИЕ У 54

ПРИЛОЖЕНИЕ Ф 56

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Тепловой расчет теплообменных аппаратов является основным необходимым элементом при проектировании теплообменных установок. От того, насколько корректно будет произведен этот расчет, будет зависеть эффективность его работы. В промышленности применяют различного вида теплообменники: холодильники, подогреватели, конденсаторы, испарители-кипятильники. Название теплообменнику дается исходя из его целевого назначения.

Данные методические указания должны помочь студентам приобрести навыки в расчете основных типов рекуперативных теплообменников. Они облегчат работу студентов при выполнении домашней работы, в курсовом и дипломном проектировании, а также при освоении такого важного раздела «Тепло- и массообменные процессы и аппараты технологических систем», как теплопередача в химической аппаратуре.

В основу настоящих указаний положены учебное пособие для вузов "Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии" под редакцией П.Г. Романкова [1], а также новый вариант этого задачника [2], разделы по теплопередаче из учебных пособий по «Тепло- и массообменные процессы и аппараты технологических систем» А.Г.Касаткина [3], пособия по проектированию под редакцией Ю.И.Дытнерского [4] и др.

Как показывает практика преподавания курса «Тепло- и массообменные процессы и аппараты технологических систем», несмотря на наличие фундаментальных монографий, учебников и справочников по проектированию теплообменников, имеется существенная необходимость в достаточно детальных первоначальных методических указаниях, которые и даются в настоящем пособии.

 

1 ОБЩИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

 

Теплообменники делятся на рекуперативные (поверхностные), регенеративные (с теплоаккумулирующей насадкой), теплообменники смешения, тепловые трубы и комбинированные.

В настоящих методических указаниях рассматриваются только поверхностные теплообменники непрерывного действия, работающие в установившемся режиме.

Приведенный краткий список литературы позволяет судить о широте исложности проблем проектирования теплообменного оборудования и содержит некоторые подходы к решению этих проблем.

Перечислим некоторые типовые задачи такого рода.

1. Определение средней движущей силы (или числа единиц переноса) для теплообменников смешанного тока и при неидеальной структуре потоков.

2. Значительное изменение коэффициентов теплоотдачи и теплофизических свойств теплоносителей по длине аппарата.

3. Расчет теплообменников-регенераторов.

4. Расчет теплообменников смешения.

5. Тепловые трубы (теплопередающие устройства с фазовым превращением и капиллярно-напорным или напорно-гравитационным переносом промежуточного теплоносителя).

6. Работа теплообменников в нестационарных и переходных режимах.

7. Теплообменники периодического действия.

8. Равномерное распределение потоков, структура потоков теплоносителей, масштабный переход.

9. Методы интенсификации теплопередачи.

10. Борьба с накипеобразованием и загрязнениями.

11. Отвод конденсата и неконденсирующихся газов.

12. Двух-трехфазные дисперсные среды (газ, жидкость, твердый зернистый материал).

13. Предельные температуры, давления, скорости.

14. Совместный тепло- и массоперенос (в оросительных теплообменниках, градирнях и т.д.).

15. Аэрогидродинамические, прочностные, термомеханические и другие расчеты (включая компенсацию температурного расширения, теплоизоляцию, устойчивость, гидравлический удар, вибрации, собственные колебания и резонанс и т.д.).

16. Теплообменные аппараты, встроенные или совмещенные с другим гидромеханическим, тепло-массообменным, химическим и прочим оборудованием.

17. Специальное теплообменное оборудование различного назначения (практически во всех сферах материальной деятельности человека).

18. Конструктивно-технологическая оптимизация теплообменного оборудования.

19. Автоматическое регулирование и оптимальное управление теплообменным оборудованием.

 

2 ПОРЯДОК РАСЧЕТА ТЕПЛООБМЕННИКОВ

 

Основной характеристикой рекуперативных теплообменных аппаратов является теплопередающая поверхность, или поверхность теплообмена. От ее величины зависят геометрические размеры теплообменников, стоимость их изготовления, монтажа и эксплуатации.

Исходными данными для простейшего теплового расчета являются: расход одного из теплоносителей и температуры обоих теплоносителей на входе и на выходе из аппарата.

Расчет поверхности теплообмена состоит из следующих основных стадий.

1. Определение тепловой нагрузки аппарата, средней движущей силы и

средних температур теплоносителей.

2. Определение расхода второго вещества из теплового баланса.

3. Определение ориентировочной площади поверхности теплообмена, а также выбор размеров теплообменных труб и, если возможно, расчет необходимого их количества при обеспечении заданного режима движения теплоносителей.

4. Предварительный выбор нормализованного теплообменника по принятым параметрам. Выписываются те фиксированные геометрические размеры аппарата, которые будут фигурировать в расчете (внутренний диаметр кожуха, число теплообменных труб и т.д.) Параметры, которые не будут непосредственно участвовать в расчете, можно варьировать для обеспечения расчетной поверхности теплообмена при окончательном выборе нормализованного аппарата.

5. Определение частных коэффициентов теплоотдачи для обоих теплоносителей с использованием критериальных уравнений для соответствующих тепловых процессов, режимов теплоносителей, геометрического расположения труб и т.д. Определение термических сопротивлений стенок и загрязнений со стороны горячего и холодного теплоносителей.

6. Определение общего коэффициента теплопередачи и уточнение температур стенки со стороны горячего и холодного теплоносителей. Пересчет коэффициента теплопередачи.

7. Определение расчетной поверхности теплообмена по основному уравнению теплопередачи и окончательный выбор нормализованного теплообменника. Определение запаса поверхности теплообмена, необходимого для обеспечения длительной работы аппарата, т.к. на поверхности труб и кожуха образуются разного вида загрязнения (отложение нерастворимых осадков, накипеобразование, ржавчина и т.д.), которые снижают эффективность процесса теплообмена, уменьшая коэффициент теплопередачи.

 

2.1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТОВ ТЕПЛООТДАЧИ

 

Чаще всего в инженерной практике используются критериальные уравнения процесса теплоотдачи. При выборе критериального уравнения для определения коэффициентов теплоотдачи необходимо принимать во внимание следующее.

1. Учитывается характер теплообмена: без изменения агрегатного состояния вещества (нагревание, охлаждение), с изменением агрегатного состояния вещества (кипение, конденсация).

2. Определяется режим движения теплоносителя, за который при вынужденном движении отвечает критерий Рейнольдса.

3. Характеризуется пространство теплообменника, в котором течет теплоноситель: трубное или межтрубное.

4. Характеризуется геометрическое расположение теплообменных труб: вертикальное или горизонтальное.

5. Характеризуется наличие перемешивающих механических устройств: мешалки, пневматические устройства и т.д.

6. Характеризуется вид поверхности теплообмена: плоская, трубчатая, оребренная и т.д.

7. Характеризуется тип конструкции теплообменника: кожухотрубчатый, змеевиковый, “труба в трубе” и т.д.

 

2.2 УРАВНЕНИЯ ДЛЯ РАСЧЕТА КОЭФФИЦИЕНТОВ

ТЕПЛООТДАЧИ ДЛЯ УСТАНОВИВШИХСЯ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ

 

I. Теплоотдача без изменения агрегатного состояния вещества

 

1. При движении теплоносителя в прямых трубах круглого сечения или в каналах некруглого сечения (трубное пространство кожухотрубчатого теплообменника и теплообменника типа “труба в трубе”) коэффициент теплоотдачи определяют из следующих уравнений.

а) При развитом турбулентном течении (Re≥ 10000):

Nu = 0,021ε_lRe^0,8Pr^0,43(Pr/Pr_ст)^0,25,                                                  (1)

где ε_l- коэффициент, учитывающий отношение длины трубы (L) к ее диаметру (d), при L/d ≥ 50 ε_l= 1.

б) При переходном режиме движения (2300<Re<10000):

Nu = 0,008 Re^0,9Pr^0,43(Pr/Pr_ст)^0,25,                                                    (2)

в) Ламинарный режим течения (Re≤ 2300):

Nu = 0,15 Re^0,33Gr^0,1Pr^0,43(Pr/Pr_ст)^0,25.                                                  (3)

Определяющим геометрическим размером в формулах (1) - (3) являетсяэквивалентный диаметр трубы (внутренний диаметр для труб круглого сечения), определяющей температурой, при которой рассчитываются все теплофизические характеристики теплоносителей, – средняя температура тепловых агентов. Pr_ст– критерий Прандтля, рассчитанный при температуре стенки.

 

2. При движении теплоносителя в межтрубном пространстве теплообменника типа “труба в трубе” коэффициент теплоотдачи считают по формулам (1)-(3), подставляя в качестве определяющего размера эквивалентный диаметр кольцевого сечения между двумя трубами:

d_э = D_внутр – d_наруж,

где D_внутр– внутренний диаметр наружной трубы;

d_наруж – наружный диаметр внутренней трубы.

3. Теплоотдача при поперечном обтекании пучка гладких труб (межтрубное пространство кожухотрубчатого теплообменника).

При Re<1000 для коридорных и шахматных пучков:

Nu = 0,56ε_ϕRe^0,5Pr^0,36(Pr/Pr_ст)^0,25;                                                        (4)

при Re≥1000для коридорных пучков:

Nu = 0,22ε_ϕRe^0,65Pr^0,36(Pr/Pr_ст)^0,25;                                                       (5)

при Re≥1000дляшахматныхпучков:

Nu = 0,4ε_ϕRe^0,6Pr^0,36(Pr/Pr_ст)^0,25.                                                          (6)

ε_ϕв формулах (4) - (6) принимается применительно к кожухотрубчатым теплообменникам с поперечными перегородками равным 0,6.

Определяющим размером в формулах (4) - (6) является наружный диаметр трубы, определяющей температурой – средняя температура теплоносителя.

 

II. Теплоотдача при изменении агрегатного состояния вещества

 

1. При пленочной конденсации насыщенного пара любых веществ коэффициент теплоотдачи определяют следующим образом:

а) в случае конденсации на пучке n вертикальных труб высотой Н c наружным диаметром d среднее значение коэффициента теплоотдачи:

                          (7)

б) в случае конденсации на наружной поверхности пучка горизонтальных труб с наружным диаметром d:

                                                      (8)

В формулах (7)-(8): ε_г– поправочный коэффициент на содержание в паре неконденсирующихся газов. По рисунку А.1 (Приложение А)можно определить коэффициент ε_г по концентрации неконденсирующихся газов в паре; ε_t–поправочная функция, учитывающая вязкость и теплопроводность конденсата при температуре стенки (μ_ст, λ_ст):

                                                                      (9)

Определяющий размер – наружный диаметр труб, или их высота (длина), все теплофизические характеристики определяются для конденсатапри температуре конденсации (t_конд), т.е. средней температуре теплоносителя.

G – массовый расход пара, кг/с;

r – удельная теплота парообразования при t_конд, Дж/кг;

Δt= t_конд - t_ст– разность температур конденсации и температуры стенки;

ε – поправочный множитель, учитывающий влияние числа труб по вертикали. Определяется по рисунку А.2 (Приложение А). Число труб по вертикали определяютпо таблице в Приложении Б.

2. Теплоотдача при пузырьковом кипении жидкостей.

а) при кипении в трубах в условиях свободного или вынужденногодвижения:

      (10)

б) при кипении на поверхностях, погруженных в большой объем жидкости:

          (11)

В формулах (10) - (11) все теплофизические характеристики жидкости следует определять при температуре кипения, соответствующей рабочему давлению.

q – удельная тепловая нагрузка, Вт/м²;

σ – коэффициент поверхностного натяжения, Н/м;

Т_кип– температура кипения жидкости, К;

ΔТ_кип = (Т_ст- Т_кип) – разница температуры стенки и средней температуры теплоносителя;

b – безразмерная функция, значение которой определяется по уравнению:

b = 0,075 + 0,75 (ρ_п/ (ρ_ж - ρ_п))^2/3;                                                        (12)

ρ_п– плотность пара, кг/м³, определяется следующим образом:

,                                                                                   (13)

где р иТ– рабочие давление и температура,

р_о иТ_о– давление и температура при нормальных условиях (1 МПа, 273 К),

ρ_ж– плотность жидкости, кг/ м³;

М_п– мольная масса пара, кг/ кмоль.

                             

 

3 РАСЧЕТ ХОЛОДИЛЬНИКА

 

50 т/ч водного раствора (растворенное вещество и концентрация заданы) охлаждается от 105 до 40 ^оС водой. Последняя нагревается от 8 до 35 ^оС. Определить поверхность противоточного теплообменника и выбрать его по каталогу.

Составляем схему потоков и обозначаем температуры теплоносителей. Индекс 1 отнесем к водному раствору (горячему теплоносителю), индекс 2 – к воде (холодному теплоносителю).

Определяем большую и меньшую разности температур, а также среднюю движущую силу:

∆t_б = 105 – 35 = 70 ºС; ∆t_м = 40 – 8 = 32 ºС;

 ºС.

Определяем средние температуры теплоносителей:

 ºС;

ºС.

Следует заметить, что средняя температура одного из теплоносителейищется как среднее арифметическое значение между начальной и конечной температурой только у того теплоносителя, у которого температура изменяется в теплообменнике на меньшее число градусов.

Тепловая нагрузка теплообменника с учетом потерь теплоты (5 %):

Q = 1,05 G₁ c₁ (t_1н - t_1к) = 1,05 ⋅(50000/3600) ⋅3435 ⋅65 =3256100 Вт,

где с₁ = 0,82 ⋅4190 = 3435 Дж/ (кг ⋅К) –теплоемкость данного водного раствора при средней температуре t₁ (Приложение В).

Расход охлаждающей воды

кг/с,

где с₂ = 4190 Дж/ (кг ⋅К) – теплоемкость воды при средней температуре t₂(при температуре от 0 до 90 ^оС практически не изменяется).

Объемные расходы раствора и воды:

V₁= G₁/ ρ₁ = 50000/ (3600 ⋅1125) = 0,0123 м³/с;

V₂ = G₂/ ρ₂ = 28,8/ 998 = 0,0289 м³/с,

где ρ₁ = 1125 кг/м³; ρ₂ = 998 кг/м³ (Приложение Г);

μ₁ = 0,66 10^-3 Па с; μ₂ = 0,97 10^-3 Па с (Приложение Д).

(Теплофизические характеристики определяются при t₁ = 70 ^oC и t₂= 21,5 ^oC).

Оценим ориентировочно значение площади теплообмена, полагая по таблице (по вариантам, см. Приложение Т) К_ор= 140 Вт/ (м² К) (минимальное значение):

м².

Рассмотрим одиночный одноходовой кожухотрубчатый теплообменниксо стальными трубами 25^х2 мм.

Раствор (1) направляем в трубное пространство, так как он дает большезагрязнений, а воду (2) – в межтрубное пространство.

Характерный линейный размер для трубного пространства – внутренний диаметр трубы, а для межтрубного пространства – наружный.

1. Расчет коэффициента теплоотдачи для трубного пространства(раствор).

Для обеспечения турбулентного течения раствора в трубном пространстве (Re >10000) необходима скорость:

м/с.

Число труб, обеспечивающих расход раствора при Re = 10000:

По табл. 4.12 [1] по F_ор и n выбираем для расчета одиночный одноходовой кожухотрубчатый теплообменник с 465 трубами. Площадь варьируется от 73 до 329 м² в соответствии с длиной труб от 2 до 9 метров.

Итак, рассчитываем 465-трубный теплообменник с внутренним диаметром кожуха D_кож.вн. = 800 мм.

Пересчитываем скорость и критерий Рейнольдса для трубного пространства:

м/с;

Режим переходный (2300<Re<10000), и расчетная формула для критерия Нуссельта (при переходном режиме теплоносителя, для трубного пространства) будет иметь вид: Nu₁ = 0,008 ⋅Re₁^0,9 ⋅Pr₁^0,43(Pr₁ /Pr_ст1)^0,25.

Находим Pr₁ и Pr_ст1:

где λ₁ = 0,46 1,163 = 0,535 Вт/(м K) (Приложение Ж);

λ₂= 0,51 1,163 = 0,593 Вт/(м K) (Приложение Ж).

Коэффициенты теплопроводности определялись при средних температурах теплоносителей ( = 70 ^oC и = 21,5 ^oC).

Принимаем температуру стенки со стороны горячего и холодного теплоносителей: t_cт1= - Δt_ср / 2 = 70 - 48,5 / 2 = 45,8 ^oC = t_cт2.

При этой температуре определим теплофизические характеристики:

c_cт1= 0,81 4190 = 3394 Дж/(кг К);

μ_cт1= 0,93 10^-3 Па с;

λ _cт1 = 0,425 1,163 = 0,494 Вт/ (м K);

Найдем отношение Pr/Pr_ст:

Pr₁ /Pr_ст1 = 4,24/6,39 = 0,664.

Критерий Нуссельта для раствора:

Nu₁= 0,008 2735^0,9 4,24^0,43 (4,24/6,39)^0,25 = 16,66.

Коэффициент теплоотдачи для раствора в первом приближении:

Вт/(м² К).

2. Расчет коэффициента теплоотдачи для межтрубного пространства (вода).

Площадь поперечного сечения межтрубного пространства:

где D_{кож. вн.}– внутренний диаметр кожуха, м;

d_нар. – наружный диаметр труб, м;

n – число труб;                                                    

w₂- скорость воды в межтрубном пространстве:

м/с.

Критерий Рейнольдса для воды:

.

Режим переходный.

Расчетная формула для критерия Нуссельта для межтрубного пространства:

для шахматных пучков при Re>1000:

 

где ε_ϕпринимаем равным 0,6.

Теплофизические характеристики для воды при температуре 45,8 ^оС:

c_cт2 = 4190 Дж/(кг К);

μ_cт2 = 0,59 10^-3 Па с;

λ_cт2 = 0,55 1,163 = 0,640 Вт/ (м K).

Вычисляем Pr₂ и Pr_ст2:

Найдем отношение Pr/Pr_ст2:

Pr₂ /Pr_ст2 = 6,85/3,86 = 1,775.

Критерий Нуссельта для воды:

Nu₂ = 0,4 0,6 2701^0,6 6,85^0,36 (6,85/3,86)^0,25 = 63,42.

Коэффициент теплоотдачи для воды в первом приближении:

Вт/(м² К).

Сумма термических сопротивлений:

Σ r_cт = r_ст + r_загр1 + r_загр2 = δ_ст/λ_ст+ r_загр1 + r_загр2= 0,002/46,5 + 1/5800 +

+ 1/2900 = 5,6 10^-4 м² К /Вт,

где λ_ст= 46,5 Вт / (м² К) (Приложение И);

r_загр1 = 1/5800 м² К/Вт (Приложение К);

r_загр2= 1/2900 м² К/Вт(по вариантам в приложении Т).

Коэффициент теплопередачи:

 Вт/(м² К).

Уточним ранее принятые значения температур стенок со стороны горячего и холодного теплоносителя исходя из постоянства удельного теплового потока:

q^’ = K^’ Δt_ср = α^’₁ Δt^’₁ = Δt^’_ст / Σr_ст= α^’₂ Δt^’₂ =

= K^’ (t₁ -t₂) = α₁ (t₁ - t_ст1) = (t_ст1 - t_ст2) / Σr_ст = α₂ (t_ст2 - t ₂),

где Δt^’₁ + Δt^’_ст + Δt^’₂ = Δt_ср

q^’ = K^’ Δt_ср = 279 48,5 = 13532 Вт/м²;

= 70 – 13532 / 424 = 38,1 ^oC;

= 21,5 + 13532 / 1504 = 30,5 ^oC.

Пересчитаем коэффициенты теплоотдачи.

Определим теплофизические характеристики водного раствора и водыпри уточненных температурах стенки:

при температуре стенки со стороны раствора t_ст1 = 38,1 ^oC:

c_cт1 = 0,81 4190 = 3394 Дж/(кг К);

μ_cт1 = 1,07 10^-3 Па с;

λ _cт1 = 0,418 1,163 = 0,486 Вт/ (м K);

при температуре стенки со стороны воды t_ст2 = 30,5 ^oC:

c_cт2 = 4190 Дж/(кг К);

μ_cт2 = 0,8 10^-3 Па с;

λ _cт2 = 0,525 1,163 = 0,611 Вт/ (м K).

Уточненные критерии Pr_cт1 и Pr_ст2:

Найдем отношения Pr/Pr_ст:

Pr₁ /Pr_ст1 = 4,24/7,47 = 0,568 (в первом приближении - 0,664);

Pr₂ /Pr_ст2 = 6,85/5,49 = 1,248 (в первом приближении - 1,775).

Уточненные коэффициенты теплоотдачи:

α₁ = α^‘₁ (0,568 / 0,664)^0,25 = 424 (0,568 / 0,664)^0,25 = 408 Вт / (м² К),

α₂ = α^‘₂ (1,248 / 1,775)^0,25 = 1504 (1,248 / 1,775)^0,25 = 1377 Вт /(м² К).

Коэффициент теплопередачи:

 Вт/(м² К).

Проверяем принятые температуры стенок:

^oC;

^oC.

Температуры стенок практически не отличаются от ранее принятых. Расчет закончен.

Определяем расчетную площадь поверхности теплообмена:

м².

По таблице в приложении Бвыбираем теплообменник с 465 трубами с поверхностью F = 329 м², длина труб - 9 метров.

Запас поверхности теплообмена:

.

 

4 РАСЧЕТ КОНДЕНСАТОРА

(аналогичная схема расчета применяется для дефлегматора и

подогревателя)

50 т/ч паров заданной органической жидкости конденсируется при атмосферном давлении при 118 ^оС. Тепло при конденсации отнимается водой. Вода изменяет свою температуру от 8 до 35 ^оС. Определить поверхность противоточного теплообменника и выбрать его по каталогу.

Определяем среднюю движущую силу:

∆t_б = 118 – 8 = 110 ^oC; ∆t_м = 118 – 35 = 83 ^oC;

^оС.

Определяем средние температуры теплоносителей:

= 118 ^oC;

^oC.

Массовый расход органической жидкости: G₁ = 50000/3600 = 13,9 кг/c.

Тепловая нагрузка теплообменника с учетом потерь теплоты (5 %):

Q = 1,05 G₁r₁ = 1,05 13,9 589,1 10³ = 8591000 Вт,

где r₁= 589,1 10³ Дж/кг (при температуре конденсации (кипения) t_конд =118 ^оС, в приложении Л).

Расход воды:

кг/с.

Объемный расход воды:

V₂= G₂/ρ₂ = 75,9/998 = 0,0761 м³/с,

где ρ₂ = 998 кг/м³ (при t₂ = 21,5 ^оС приложение Г).

Примем в первом приближении минимальное значение коэффициента теплопередачи: К_ор = 230 Вт/(м² К) (по вариантам в приложении У).

Ориентировочно определяем максимальную величину поверхности теплообмена:

м².

Рассмотрим одноходовой одиночный конденсатор с трубами 25х2 мм.

Пары органической жидкости (1) направляем в межтрубное пространство, а воду (2) – в трубное.

1. Расчет коэффициента теплоотдачи для трубного пространства.

Для обеспечения турбулентного течения воды в трубном пространстве(Re >10000) необходима скорость:

м/с,

где ρ₂ и μ₂– плотность и вязкость воды при температуре = 21,5 ^оС.

Число труб, обеспечивающих расход воды при Re = 10000:

.

В приложении Б по F_ор и n условно выбираем одноходовой кожухотрубчатый теплообменник с внутренним диаметром кожуха D_внутр=800 мм, площадью поверхности теплообмена от 73 до 329 м²и общим числом трубn = 465 – ближайшее значение. Попытаемся посчитать этот вариант. Выбираем горизонтальное расположение труб.

Для трубного пространства (вода (2)):

Критерий Рейнольдса для воды при пересчете на другое количество труб:

Re₂= 10000 (475/465) = 10215 (Re₂>10000, режим турбулентный).

Формула для критерия Нуссельта (трубное пространство, турбулентный режим):

 

где ε_lпринимаем равным 1.

В этой формуле:

(теплофизические константы определены ранее при 21 ,5 ^oC).

Принимаем в первом приближении температуры стенок со стороны горячего и холодного теплоносителей одинаковыми:

^оС.

Найдем теплофизические константы для воды при температуре t_ст2 = 69,8 ^оС:

c_cт2= 4190 Дж/(кг К) (для воды практически не меняется от 0 до 90 ^оС);

μ_cт2= 0,413 10^-3 Па с (Приложение М);

λ_cт2= 0,575 1,163 = 0,669 Вт/(м K) (Приложение Ж).

Вычисляем Pr_ст2:

Найдем отношение:

Критерий Нуссельта для воды:

Nu₂ = 0,021 1 10215^0,8 6,85^0,43 (6,85/2,59)^0,25 = 98,75.

Коэффициент теплоотдачи для воды в первом приближении:

 Вт/(м² К).

2. Расчет межтрубного пространства (пары органической жидкости (1)).

Конденсация паров вещества на пучке горизонтальных труб (выбираем горизонтально расположенный аппарат).

Формула для коэффициента теплоотдачи при пленочной конденсациипаров вещества на наружной поверхности пучка горизонтальных труб:

.

В этой формуле:

1) ε зависит от числа труб по вертикали (n_в). По приложению Б для n =465 находим n_в = 23.

По рисунку А.2 в приложении А (для шахматного расположения труб) ε = 0,58;

2) ε_t–поправочная функция, учитывающая свойства конденсата притемпературе конденсации:

3) λ₁= 0,122 ⋅1,163 = 0,142 Вт/ (м ⋅К) (пленка конденсата органическойжидкости при = 118 ^оС);

μ₁= 0,396 ⋅10^-3 Па ⋅с (при = 118 ^оС);

λ_ст1= 0,129 ⋅1,163 = 0,15 Вт/ (м ⋅К) (пленка конденсата органическойжидкости при t_ст1= 69,8 ^оС);

μ_ст1= 0,95 ⋅10^-3 Па ⋅с (при t_ст1= 69,8 ^оС);

4) ε_г= 1 – принимаем, считая, что воздух в парах органической жидкости не содержится (в противном случае пользуемся рисунком А.1 в приложении А);

5) ρ₁= 737 кг/м³– плотность пленки конденсата органической жидкостипри = 118 ^оС(темп.конденсации);

6) Δt= - t_ст1 = 118 - 69,8 = 48,2 ^оС.

Подставим все значения и коэффициенты в формулу для α₁:

Вт/(м²⋅К).

Сумма термических сопротивлений:

Σ r_cт = r_ст+ r_загр1+ r_загр2 = δ_ст/λ_ст+ r_загр1+ r_загр2 = 0,002/46,5 + 1/11600 +

+ 1/2900 = 4,74 ⋅10^-4 м²⋅К /Вт,

где λ_ст= 46,5 Вт / (м²⋅К) (Приложение И);

r_загр1 = 1/11600 м²⋅К /Вт (Приложение К);

r_загр2= 1/2900 м²⋅К /Вт(по вариантам, см. Приложение У).

Коэффициент теплопередачи:

 Вт/(м²⋅К)

Уточним ранее принятые значения температур стенок со стороны горячего и холодного теплоносителя исходя из постоянства удельного теплового потока:

q^’ = K^’⋅Δt_ср= α^’₁⋅ Δt^’₁= Δt^’_ст/ Σr_ст= α^’₂⋅ Δ t^’₂=

= K^’⋅(t₁- t₂) = α₁⋅(t₁- t_ст1) = (t_ст1- t_ст2) / Σr_ст= α₂⋅(t_ст2- t₂),

где Δt^’₁+ Δt^’_ст+ Δt^’₂= Δt_ср.

q^’ = K^’⋅Δt_ср

t_ст1 = - q^’ / α₁= 118 - 482 ⋅96,5 / 805 = 60,2 ^oC;

t_ст2 = + q^’ / α₂= 21,5 +482 ⋅96,5 / 2789 = 38,2 ^oC.

Пересчитаем коэффициент теплопередачи.

1. Коэффициент теплоотдачи для воды (α₂).

Определим теплофизические константы при уточненной температурестенки t_cт2 = 38,2 ^оС:

c_cт2= 4190 Дж/ (кг⋅К);

μ_cт2= 0,685 ⋅10^-3 Па ⋅с (Приложение М);

λ_cт2= 0,54 ⋅1,163 = 0,628 Вт/ (м ⋅K) (Приложение Ж).

Вычисляем Pr_ст2:

(в предыдущем приближении – 2,645).

Пересчитаем коэффициент теплоотдачи для воды:

Вт/ (м²⋅К).

2. Для органической жидкости, предварительно пересчитав теплофизические константы и коэффициент для уточненной температуры t_ст1 = 60,2 ^оС:

λ_ст1= 0,13 ⋅1,163 = 0,15 Вт/ (м ⋅К) (пленка конденсата органическойжидкости приt_ст1= 60,2 ^оС);

μ_ст1= 1,14 ⋅10^-3 Па ⋅с (при t_ст1= 60,2 ^оС);

(в предыдущем приближении –0,915);

Δt= - t_ст1 = 118 - 60,2 = 57,8 ^оС (в предыдущем приближении – 48,2).

 Вт/ (м²⋅К)

По уточненным данным пересчитаем коэффициент теплопередачи:

 Вт/ (м²⋅К)

Проверим принятые температуры стенки:

t_ст1 = – К^’⋅Δt_ср/ α₁= 118 - 452 ⋅96,5 / 754 = 60,2 ^oC

t_ст2 = + К^’⋅Δt_ср/ α₂= 21,5 +452 ⋅96,5 / 2420 = 39,5 ^oC

Отличие температуры t_ст2от ранее принятой около 3 %, поэтому расчетзакончен.

Определяем расчетную площадь поверхности теплообмена:

м²

По приложению Б выбираем теплообменник с 465 трубами с поверхностью F = 219 м², длина труб 6 метров.

Запас поверхности теплообмена:

 

5 РАСЧЕТ КИПЯТИЛЬНИКА (ИСПАРИТЕЛЯ)

 

Необходимо испарять 50 т/ ч заданной органической жидкости за счет теплa, выделяемого при конденсации водяного пара с избыточным давлением 3 МПа. Испарение жидкости происходит при атмосферном давлении.

143                        143          водяной пар (1)

 

111                        111       органическая жидкость (2)

Определяем среднюю движущую силу и средние температуры теплоносителей:

Δt_б = Δt_м = 143 – 111 = 32 ^оС⇒Δt_ср = 32 ^оС;

 = 143 ^оС; t₂ = 111 ^оС.

Тепловая нагрузка с учетом 5% потери теплоты:

Q = 1,05 G₂r₂= 1,05 ⋅(50000/3600)⋅361,9⋅10³ =5277700 Вт,

где r₂= 361,9 ⋅10³ Дж/кг – удельная теплота парообразования органической жидкости при средней температуре (Приложение Л).

Расход греющего пара, считая его влажность равной 5% (т.е. х_п = 0,95):

кг/с,

где r₁ = 2141 ⋅10³ Дж/кг –удельная теплота парообразования греющегопара при средней температуре или р_абс = 4 МПа (Приложение Н).

Ориентировочно определяем максимальную величину поверхности теплообмена. Для этого зададимся минимальным значением коэффициент теплопередачи: К_ор = 300 Вт/ (м²⋅К) (по вариантам, см. Приложение Ф).

м².

Рассмотрим одноходовой кожухотрубчатый испаритель с трубами 25^х2 мм. По приложению Б подбираем условно теплообменник с 747 трубамис площадью теплообмена от 176 до 528 м² (длины труб от 3 до 9 метров).

Итак, n = 747.

Направляем водяной пар (1) в межтрубное пространство, а органическую жидкость (2) – в трубное. Выбираем вертикальное расположение труб в теплообменнике.

1. Расчет коэффициента теплоотдачи для трубного пространства (органическая жидкость (2)).

Формула для коэффициента теплоотдачи при пузырьковом кипении жидкости в трубах:

,

где λ₂= 0,1 ⋅1,163 = 0,1163 Вт/ (м⋅К) (Приложение Ж);

ρ₂= 776 кг/м³ (Приложение Г);

μ₂= 0,249 ⋅10^-3 Па⋅с (Приложение М);

σ₂= 18,245 ⋅10^-3 Н/м (Приложение П),

определяются при = 111 ^оС;

.

Плотности пара ρ_п и жидкости ρ_ж для расчета коэффициента b находятся из следующих соотношений:

кг/м³;

кг/м³,

где М_п– мольная масса органической жидкости, кг/кмоль,

р, T – давление и абсолютная температура паров, при которых происходит кипение жидкости в теплообменнике,

р_о, T_о– давление и абсолютная температура паров, соответствующиенормальным условиям.

При выполнении домашней работы итерации целесообразно выполнятьвручную. При вариантных расчетах теплообменного оборудования используется компьютерная техника.

Первое приближение.

Зададимся температурой стенок:

^оС

Отсюда ΔT_кип = t_ст2 – = 127 – 111 = 16 ^оС.

Коэффициент теплоотдачи для органической жидкости:

 Вт/ (м²⋅К).

2. Расчет межтрубного пространства (водяной пар (1)).

Формула для коэффициента теплоотдачи при пленочной конденсации пара на пучке вертикальных труб:

где ε_г–коэффициент, учитывающий содержание неконденсирующихся газов (например, воздуха) в водяном паре.

Примем содержание воздуха в водяном паре 0,5 % (масс.)

По рис. 4.9 [1] находим ε_г = 0,6;

λ₁ = 0,685 Вт/ (м ⋅К) (Приложение Р);

ρ₁ = 923 кг/м³ (Приложение Р);

d = 0,025 м (характерный линейный размер для межтрубногопространства);

n = 747;

μ₁ = 0,193⋅10^-3 Па⋅с (Приложение Р);

G₁ = 2,59 кг/c.

Все теплофизические характеристики конденсата определяются при t_конд = = 143 ^оС;

где λ_ст1= 0,686 Вт/ (м ⋅К) (Приложение Р при t_ст1 = 127 ^оС);

μ_ст1=0,218⋅10^-3Па ⋅ с (Приложение Р, [1] при t_ст1= 127 ^оС).

Подставим все значения и коэффициенты в формулу для α₁:

 Вт/ (м²⋅К).

Сумма термических сопротивлений стенки и загрязнений:

Σr_cт = r_ст+ r_загр1+ r_загр2 = δ_ст/λ_ст+ r_загр1+ r_загр2= 0,002/46,5 + 1/5800 +

+ 1/11600 = 3,02 ⋅10 ^-4 м²⋅К /Вт,

где λ_ст= 46,5 Вт / (м²⋅К) (Приложение И);

r_загр1 = 1/5800 м²⋅К /Вт (Приложение К);

r_загр2 = 1/11600 м²⋅К /Вт (по вариантам, см. Приложение Ф).

Коэффициент теплопередачи:

 Вт/ (м²⋅К).

Уточним ранее принятые значения температур стенок со стороны горячего и холодного теплоносителя исходя из постоянства удельного теплового потока:

q^’ = K^’ ⋅Δt_ср= α^’₁⋅Δt^’₁= Δt^’_ст/ Σr_ст= α^’₂⋅Δt^’₂=

= K^’⋅ ( - ) = α₁⋅( - ) = (t_ст1- t_ст2) / Σr_ст= α₂⋅ (t_ст2- ),

где Δt^’1 + Δt^’_ст+ Δt^’₂= Δt_ср;

q’ = K^’⋅Δt_ср;

t_ст1= - q^’ /α₁= 143 - 759 ⋅32 / 4850 = 138 ^oC;

t_ст2= + q^’/α₂= 111 + 759 ⋅32 / 1235 = 130,7 ^oC.

Второе приближение.

Пересчитаем коэффициенты теплоотдачи.

1. Для α₁ (вод.пар (1)):

(в предыдущем приближении –0,985),

где λ_ст1 = 0,685 Вт/ (м ⋅К) (при t_ст1 = 138 ^оС, Приложение Р);

μ_ст1 = 0,199 ⋅10^-3 Па ⋅с (при t_ст1 = 138 ^оС, Приложение Р).

Коэффициент теплоотдачи для водяного пара:

 Вт/ (м²⋅К)

2. Для α₂ (органическая жидкость (2)):

ΔТ_кип = t_ст2 -  = 130,7 - 111= 19,7 ^оС (в предыдущем приближении – 16 ^оС),

 Вт/ (м²⋅К).

Сравним удельные тепловые потоки со стороны конденсирующегосяводяного пара (q₁) и кипящей органической жидкости (q₂):

q₁ = α₁( -t_ст1) = 4904 (143 – 138) = 25520 Вт/м²;

q₂ = α₂(t_ст2- ) = 1872 (130,7 – 111) = 36878 Вт/м².

Отличие существенное (> 5 %).

Считаем коэффициент теплопередачи:

 Вт/ (м²⋅К).

Уточняем принятые температуры стенок:

^оС;

^оС.

Третье приближение.

Делаем пересчет при новых температурах стенок:

1. Принимаем α₁ = 4904 Вт/(м²⋅К) – его значение существенно не изменится (теплофизические характеристики при изменении температуры на1,3 ^оС практически не изменяются).

2. Считаем α₂:

ΔT_кип = (t_ст2− ) = 127,4 – 111 = 16,4 ^oC (в последнем приближении =19,7),

α₂ = 1872 (16,4/19,7)² = 1297 Вт/ (м²⋅К).

Сравниваем q₁ и q₂:

q₁ = α₁ ( −t_ст1) = 4904 (143 – 136,7) = 30895 Вт/м²;

q₂ = α₂ (t_ст2− ) = 1297 (127,4 – 111) = 21270 Вт/м².

Отличие более 5 %.

Строим по результатам двух последних приближений зависимость q = f (t_ст2):

Графически на пересечении прямых линий q₁ = f(t_ст2) и q₂ = f(t_ст2) определяем температуру стенки со стороны кипящей органической жидкости:

t_ст2 = 128,9 ^oC.

Четвертое приближение.

Считаем α₂:

ΔT_кип = (t_ст2− ) = 128,9 – 111 = 17,9 ^oC (в последнем приближении =16,4),

α₂ = 1297 (17,9/16,4)² = 1545 Вт/ (м²⋅К).

Находим t_ст1:

t_ст1 = t_ст2 + α₂ (t_ст2− ) ⋅Σr_ст = 128,9 + 1545 (128,9 – 111) ⋅3,02 ⋅10^-4 =

= 128,9 + 8,4 = 137,3 ^oC.

При этой температуре α₁ = 4904 Вт/ (м²⋅К) (это значение былополучено при температуре 138 ^oC, см. ранее; отличие в температурахменее 1 %).

Сравниваем q₁ и q₂:

q₁ = α₁ ( −t_ст1) = 4904 (143 – 137,3) = 27953 Вт/м²;

q₂ = α₂ (t_ст2− ) = 1545 (128,9 – 111) = 27656 Вт/м².

Отличие менее 5 %. Расчет закончен.

Коэффициент теплопередачи:

К = 1/ (1/4904 + 3,02 ⋅10^-4 +1/1545) = 867 Вт/ (м²⋅К).

Определяем расчетную площадь поверхности испарителя:

м².

По таблице 4.12 [1] выбираем теплообменник с 747 трубами поверхностью F = 235 м², длина труб 4 метра.

Запас поверхности теплообмена:

Необходимо отметить, что если температура внутренней поверхностикожуха отличается от температуры внешней поверхности труб больше, чем максимально допустимо, то необходимо выполнять теплообменники стемпературными компенсаторами. Максимально допустимые разноститемператур кожуха и труб для кожухотрубчатых теплообменников приведены в Приложении С. Конечную температуру охлаждающей воды неследует принимать выше 45-50 ^оС во избежание значительного образования накипи.

 

 

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

 

1. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Учебное пособие для вузов / Под редакцией члена-корреспондента АН СССР П.Г.Романкова.-9-е издание, переработанное и дополненное. - Л.: Химия, 1981. – 560 с.

2. Романков П.Г., Фролов В.Ф., Флисюк О.М., Курочкина М.И. Методы расчета процессов и аппаратов химической технологии (примеры и задачи). - Л.: Химия, 1993. - 496 с.

3. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. Учебник для вузов. - 9-е изд., исправл. - М.: Химия, 1973. - 752 с.

4. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию / Г.С. Борисов, В.П. Брыков, Ю.И. Дытнерский и др. Под редакцией Ю.И. Дытнерского, 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Химия, 1991. - 496 с.

5. Плановский А.Н., Николаев П.И. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии: Учебник для вузов. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Химия, 1987. - 496 с.

6. Циборовский Я. Процессы и аппараты химической технологии. Перевод с польского под редакцией П.Г.Романкова. - Л.: Государственное научно-техническое издательство химической литературы, 1958. - 932 с.

7. Хоблер Т. Теплопередача и теплообменники: Пер. с польск. - Л.: Госхимиздат, 1961. - 820 с.

8. Кичигин М.А., Костенко Г.Н. Теплообменные аппараты и выпарные установки. - М. -Л.: Госэнергоиздат, 1955. - 392 с.

9. Яблонский П.А. Проектирование тепло- и массообменной аппаратуры химической промышленности. - Л.: ЛТИ им. Ленсовета, 1978. - 85 с.

10. Уонг Х. Основные формулы и данные по теплообмену для инженеров: Пер. с англ. - М.: Атомиздат, 1979. - 216 с.

11. Кириллов П.Л., Юрьев Ю.С., Бобков В.П. Справочник по теплогидравлическим расчетам (ядерные реакторы, теплообменники, парогенераторы). - М.: Энергоатомиздат, 1984. - 296 с.

12. Справочник по теплообменникам: В 2-х т. Т.1 / Пер. с англ., под ред. Б.С. Петухова, В.К. Шикова.: М.: Энергоатомиздат, 1987. - 560 с.

13. Справочник по теплообменникам: В 2-х т. Т.2 / Пер. с англ., под ред. О.Г. Мартыненко и др.: М.: Энергоатомиздат, 1987. - 352 с.

14. Хаузен Х. Теплопередача при противотоке, прямотоке и перекрестном токе: Пер. с немецк. - М.: Энергоиздат, 1981. - 384 с.

15. Жукаускас А.А. Конвективный перенос в теплообменниках. - М.: Наука, 1982. - 472 с.

16. Черепенников И.А. Примеры теплового расчета теплообменника: Методич. указания. - Тамбов: ТИХМ, 1973. - 34 с.

17. Васильев Л.Л. Теплообменники на тепловых трубах. - Мн.: Наука и техника, 1981. - 143 с.

18. Методы оптимизации параметров теплообменных аппаратов АЭС. -Мн.: Наука и техника, 1981. - 144 с.

19. Калафати Д.Д., Попалов В.В. Оптимизация теплообменников по эффективности теплообмена. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - 152 с.

20. Кириллов П.Л., Юрьев Ю.С., Бобков В.П. Справочник по теплогидравлическим расчетам. - М.: Энергоатомиздат, 1984. - 296 с.

21. Кулинченко В.Р. Справочник по теплообменным расчетам. - Киев: Техника, 1990. - 165 с.

22. Барсуков С.И., Рейзин И.И., Кузнецов В.И. Малые теплообменные аппараты. - Томск: Изд-во Том.ун-та, 1993. - 208 с.

23. Бажан П.И., Каневец Г.Е., Селиверстов В.М. Справочник по теплообменным аппаратам. - М.: Машиностроение, 1989. - 366 с.

24. Hewitt G.F. (Coor. Ed.), Schluender E.U. (Ed.-in-Chief).Hemispere handbook of heat exchanger design. - NY: Hemispere Publ. Corp., 1990.

25. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача: Учебник для вузов. – 4 изд. – М.: Энергоиздат, 1981. – 416 с.

26. Кутателадзе С.С., Боришанский В.М. Справочник по теплопередаче. – Л. – М.: Госэнергоиздат, 1959. – 414 с.

27. Кутателадзе С.С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление: Справочное пособие. – М.: Энергоатомиздат, 1990. – 367 с.

28. Тепловой расчет котельных агрегатов (нормативный метод): 2-е изд. – М.: Энергия, 1973. – 296 с.

29. Гидравлический расчет котельных агрегатов (нормативный метод).– М.: Энергия, 1978. – 256 с.

30. Аэродинамический расчет котельных установок (норм.метод): 3-е изд. – Л.: Энергия, 1977. – 256 с.

31. Розен А.М. (ред.). Масштабный переход в химической технологии. Разработка промышленных аппаратов методом гидродинамического моделирования. – М.: Химия, 1980. – 320 с.

32. Ляшков В.И., Черепенников И.А. Тепловой расчет теплообменных аппаратов: Метод.указ. и варианты расчетно-граф. заданий по теплопередаче для студ. 2-4 курсов днев., веч. и заоч. отделений всех специальностей. – Тамбов: ТИХМ, 1991. – 48 с.

33. Гильденблат И.А. Влияние структуры потоков на эффективность работы теплообменных аппаратов: Учебное пособие. – М.: МХТИ им. Д.И.Менделеева, 1979. – 24 с.

 

 

                         

 

ПРИЛОЖЕНИЯ

ПРИЛОЖЕНИЕ А

(обязательное)

Рисунок А.1 – Зависимость поправочного коэффициента ε_г от концентрации воздуха в паре

             1                        2                                              n_врядов

Рисунок А.2 – Зависимость усредненного для всего пучка коэффициента ε от числа труб по вертикали n_ви порядок определения n_вдля коридорного (1) и шахматного (2) расположения труб.

 

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

(обязательное)

Данные для определения числа труб по вертикали

 

Т, оС	Номер ординаты		Т, оС	Номер ординаты
25 32,5 40 47,5 55 62,5	0 1 2 3 4 5	12,07 3,85 2,30 1,16 1,13 0,85	70 77,5 85 92,5 100	6 7 8 9 10	0,74 0,65 0,58 0,50 0,47

 

 

ПРИЛОЖЕНИЕ В

(обязательное)

---

Дата добавления: 2018-08-06; просмотров: 1417; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!