Расчет кожухотрубчатого теплообменника для подогрева воздуха

3.Технологический расчет

3.1 Определение средней  разности температур

     Рассчитываем среднюю разность температур между потоками как для чистого противотока: 
 
 
 

Δt_б = t_1н – t_2н = 187,1 – 12 = 175,1 ºС 

Δt_м = t_1к – t_2к = 187,1 – 107 = 80,1 ºС 

Так как отношение  Δt_б/Δt_м = 187,1/80,1 = 2,33  >2,   то 

Δt_ср = (Δt_б – Δt_м)/ln(Δt_б/Δt_м) = (187,1 – 80,1)/ln(187,1/80,1) =  116,74 ºС 
 
 

3.2 Определение средних температур теплоносителей

Средняя температура  насыщенного водяного пара: 

t_2ср = (t_2н + t_2н)/2 = (187,1 + 187,1)/2 = 187,1 ºC. 

Средняя температура  раствора: 

t_1ср = t_2ср - Δt_ср = 187,1 – 116,74 = 70,35 ºС. 
 

3.3 Нахождение теплофизических свойств индивидуальных компонентов

Находим теплофизические свойства индивидуальных веществ по средним температурам потоков и заносим в таблицу 1.

     Таблица 1. – Свойства теплоносителя и хладоагента

 

3.4 Определение тепловой нагрузки, расхода пара.

Запишем уравнение теплового баланса: 

                        Q = G₁c₁(t_1н - t_1к), = G₂c₂(t_2н - t_2к) 

Тепловая  нагрузка аппарата:

                           

                             Q = G₁c₁(t_1н - t_1к);  

где с₁– теплоемкость воздуха; G₁ -  массовый расход воздуха. 

                          Q = 5800∙1,009∙10³ (107 - 12) = 154,43 кВт 

Теоритический расход насыщенного водяного пара находим по уравнению: 

G₂ = Q/(r∙ɳ);

     

   где  c₂ – теплоемкость пара.

 

                        G₂ = 154,43·10³ /(1995∙0,97) = 0,08 кг/с. 

Фактический расход пара увеличим на 8% по двум причинам. Во первых, часть теплоты теряется в окружающую среду. Обычно величину этих потерь принимают в размере 5%. Во вторых, поступающий на технологическую установку пар частично сконденсировался в трубопроводе и стал влажным. В практике расчетов допускают влажность пара 3%.

                    

G₂ = 0,08·1,08 = 0,086 кг/с. 

3.5 Расчет ориентировочной поверхности теплообмена, выбор типа и конструкции теплообменника

На первом этапе принимаем ориентировочное значение коэффициента теплопередачи Кор и рассчитываем ориентировочное значение требуемой поверхности теплопередачи Fор. После этого по ориентировочному значению поверхности теплопередачи подбираем по табличным данным нормализированный вариант конструкции теплообменного аппарата, а затем проводим уточнённый расчёт коэффициентов теплоотдачи и теплопередачи и требуемой поверхности (Fрасч). Примем Кор. =60 Вт/м²·К

 Рассчитаем ориентировочную поверхность теплообмена по формуле: 

                                                   Q                     154,4 ·10³

    Fор. = ──────── =  ──────── = 22,04   м²

                                         Кор ·  Δtср             60 · 116,74

Рассчитаем  требуемое число труб по формуле:

                                                          F

                           F=π·n·d·L=>n= ————

                                                            π·d·L

По ориентировочному значению поверхности теплопередачи и найденному числу труб подбираем по табличным данным нормализированный вариант конструкции теплообменного аппарата.

Принимаем по ГОСТ 14246-79 теплообменник с близкой поверхностью теплообмена:

Поверхность теплопередачи Fm=23м².

Диаметр кожуха внутренний D=400мм.

Диаметр труб 20x2мм.

Общее число труб n=123шт.

Длина труб L=3м.

Площадь трубного пространства Sтр=0,017 м².

Площадь сечения в вырезе перегородок  Sмтр=0,017 м².

Число ходов z=2.

3.6 Расчет коэффициентов  теплоотдачи для  трубного и межтрубного  пространств

Коэффициент теплоотдачи нагреваемого сырья (трубное  пространство) находим по уравнению:                  

    Nu · λ

    α = ───────   ;

    d_вн

       

      где  Nu – критерий Нуссельта, λ – коэффициент теплопроводности теплоносителя при определяющей температуре Вт/ м·К , 

    Находим скорость воздуха по формуле:

               4· G                    4·5800

    W=———— = ————————————— = 63,34 м/с

           π·n·d²·ρ      3600·3,14·123·0,016² ·1,029 

Фактическое значение критерия Рейнольдса: 

Re = w·d_вн ·ρ/µ=63.34·0.016·1.029/ 0,0203·10ˉ³ = 51372.97. 

Режим движения турбулентный, т.к. Re  > 10000, в этом случае критерий Нуссельта:

            

Nu = 0,021·Re^0,8Pr^0,43(Pr/Pr_ст)^0,25; 

где Рr  – критерий Прандтля для воздуха при 70,35 °С ; 

 Рr₂₌ c_2·m₂/λ₂ =1,009·10³ ·0,0203×10^-3/ 0,0292=0,7 

Для газов отношение (Pr/Pr_ст)^0,25 = 1;

Nu = 0,021·51372,97^0,8 ·0,7^0,43 = 105,82 
 
 

       Nu · λ                    105,82·0,0292

α = ─────── =  ───────   = 193,13 Вт/ м²·К 

            d_вн                                   0,016 
 

Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося  водяного пара к трубам зависит от их расположения. 

1. Если трубный пучок расположен вертикально: 

α =3,78·λ· =3.78·0.67 =13583.3 

2. Если же трубный пучок расположен горизонтально: 

     α =2,02·ε·λ· =2,02·0,6·0.67 =23140,86 

где ε- коэффицент зависит от числа труб в пучке: при n>100 ε=0.6 

Коэффициент теплопередачи рассчитывается с  помощью уравнения аддитивности термических сопротивлений с  учётом наличия загрязнений по обе стороны теплопередающей стенки :

                                   1            1             δ_ст                                              1

                                ─── =  ──── + ─── + r₁ + r₂ + ──── ;

                                  К             α₁             λ_ст                                                  α₂ 

    Считаем, что аппарат будет изготовлен из нержавеющей углеродистой стали, имеющей коэффициент теплопроводности λ_ст  = 46.5  Вт/м·К ; r₁ = 5800 Вт/мК,

 r₁ = 2800 Вт/мК – тепловая проводимость загрязнений стенок; δ_ст = 0,002  м – толщина стенки трубы.                                       
 

    Коэффицент  теплопередачи при вертикальной установке аппарата:  

           1             0,002        1           1                 1

    К = ─── + ───── + ─── + ─── + ───── = 171,7 Вт/м²К

            13583,3     46,5       5800    2800       193,13

                                    

    Коэффицент  теплопередачи при горизонтальной установке аппарата:  

             1             0,002        1           1                 1

    К = ─── + ───── + ─── + ─── + ───── = 172,6 Вт/м²К

             23140,9      46,5        5800     2800       193,13 

Горизонтальное  или вертикальное расположение не имеет  значение, мы выбираем вертикальное расположение который на технологической площадке будет занимать меньше места. 

    Найдём расчётную поверхность: 

    154,3 ·10³

    Fрасч. =  ──────── = 7,7 м²

    171,7 · 116,74 

По расчетной  поверхности мы убедились что  выбранный теплообменник подходит для поставленной задачи. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

4.Выбор диаметра штуцеров и расчет гидравлического сопротивления трубного и межтрубного пространств 

4.1Расчет  диаметра штуцеров

Диаметр условного прохода (внутренний диаметр) штуцеров для подвода и отвода теплоносителей рассчитывается на основе уравнения массового расхода:

                                                πd².шт.2

                            G = ρ ωшт. ─────             

                                                 4

Штуцер  для ввода насыщенного пара

                                       ___________