Методика расчёта кожухотрубчатого теплообменника

 

Рассчитать кожухотрубчатый теплообменник – значит определить необходимую поверхность теплообменника и подобрать теплообменник по ГОСТу.

Математическая модель расчёта теплообменника представлена двумя уравнениями: основное уравнение теплопередачи (1) и уравнение теплового баланса (2).

 

Q=К.F.Δ tср (1)

Q=Q1=Q2+Qпот (2)

Q – тепловой поток, кДж/с

Q1 – тепло отдаваемое более нагретым телом, Вт

Q2 – тепло воспринимаемое менее нагретым телом, Вт

К – коэффициент теплопередачи теплоносителем, Вт/м2.град

F – Поверхность теплообменника, м2

Δ tср – средняя разность температур между теплоносителем (оС, К)

Qпот – потери теплового потока, Вт

Если Qпот = 0, то Q1=Q2=Q

Из уравнения (1)

2)

Для определения F нужно найти Δ tср, Q и К.

В контрольной работе по расчёту теплообменника студентам-заочникам предложено 2 варианта задач по расчёту теплообменника:

Задачи 11-15 – в межтрубном пространстве теплообменника конденсируются органически пары (теплоноситель I), в трубном пространстве циркулирует охлаждающая вода (теплоноситель II).

Задачи 16-20 – в межтрубном пространстве конденсируется водяной пар, в трубном пространстве нагревается органическая жидкость.

 

1) Δtср - cредняя разность температур теплоносителей определяется в зависимости от характера изменения температуры теплоносителя вдоль поверхности теплообменника.

Исходя из условий задачи 1 теплоноситель конденсируется. Изменение агрегатного состояния происходит при постоянной температуре:

Задачи 11-15 – tконд= tкип жидкости (см табл. 1)

Задачи 16-20 – tконд в зависимости от давления водяного пара (см табл. 9)

Второй теплоноситель нагревается от t=10 оС до t.

В первом варианте задач (11-15) t = tконд - Δtк, Δtк =15÷20 оС. (по условию задачи)

Во втором варианте (16-20) t = tкип органической жидкости (см табл. 1)

Строим график изменения температур:

Рис – Изменение температуры теплоносителя вдоль поверхности теплообменника.

 

Если агрегатное состояние одного из теплоносителей меняется, направлени6е движения теплоносителей не играет роли при определении средней разности температур

, если

, с достаточной точностью

Определяем среднюю температуру II теплоносителя

 

tср2 = tконд -Δ tср

 

2) Тепловой поток Q определяется из уравнения теплового баланса:

 

Q1=Q2

 

Q1 – тепло выделяемое при конденсации паров. (Вт)

 

Q1=G1.r1, где

 

G1 – расход паров (кг/с)

r1 – удельная теплота конденсации пара (Дж/кг)

Q2 - тепло, воспринимаемое жидким теплоносителем (Вт)

 

Q2=G2.с2.( t- t), где

 

G2 – расход жидкости (кг/с)

с2 – средняя удельная теплоёмкость жидкости, определяется по средней температуре жидкости (Дж/кг град)

t, t – температура II теплоносителя на входе и выходе из теплообменника (оС)

 

Тогда уравнение теплового баланса запишется

 

Q=G1.r1=G2.c2. (t-t)

 

3) Коэффициент теплопередачи (К) зависит от коэффициентов теплоотдачи.

Теплопередача – процесс переноса теплоты от ядра потока более нагретого теплоносителя к ядру потока менее нагретого через стенку. Это сложный процесс, он состоит из 3 этапов:

а) процесс теплоотдачи из ядра потока теплоносителя I к наружной стенке трубки (конвекция), (1)

б) процесс переноса теплоты через стенку (теплопроводность), (2)

в) процесс переноса теплоты от наружной стенки трубки в ядро потока II теплоносителя (теплоотдача или конвекция) (3)

 

Это описывается уравнениями:

 

Если стенки трубки покрыты загрязнениям или накипью, то

(2),
где Σr – суммарное термическое сопротивление загрязнения самой стенки

λ – теплопроводность материала стенки

(3),

где α1 и α2 – коэффициенты теплоотдачи со стороны 1 и 2 теплоносителей (Вт/м2 .К)

Решая систему из 3-х уравнений (1), (2), (3) получим:

 

Вт/м2.град

 

Значит, чтобы определить коэффициент теплопередачи (К) нужно сначала рассчитать коэффициенты теплоотдачи α1 иα2и сумму термических сопротивлений Σr. Чтобы определить коэффициент теплоотдачи нужно ответить на 2 вопроса:

а) Меняет или не меняет агрегатное состояние теплоноситель,

б) Если теплоноситель не меняет агрегатного состояния, то каков тогда режим движения теплоносителя.

В задачах 11-20 теплоноситель меняет агрегатное состояние (конденсируется), поэтому α1конд

Второй теплоноситель не меняет агрегатного состояния, значит нужно определить режим движения теплоносителя.

Режим движения теплоносителя определяется числовым значением критерия Рейнольдса:

 

 

ω – скорость движения теплоносителя (м/с)

- коэффициент динамической вязкости (Па.с)

- плотность второго теплоносителя, кг/м3

l - определяющий размер, в данном случае l=dвн, (м).

Скорость движения II теплоносителя (ω) нам неизвестна, поэтому используем вариант расчёта, в котором делается предварительный выбор теплообменника по ГОСТу, а дальнейшими расчётами он проверяется.

Задаёмся критерием Рейнольдса (Re≥10000). Пусть Re=10000 (турбулентный режим), тогда

 

 

По ГОСТу существуют теплообменники с трубками 20x2 и 25x2, выбираем 25х2, где 25 мм – наружный диаметр трубки, 2 мм – толщина стенки трубки, внутренний диаметр dвн = 21 мм = 0,021 м. Предварительный выбор теплообменника проводится по числу труб в одном ходу и ориентировочной поверхности теплообменника.

Число труб в одном ходу теплообменника определяется из уравнения расхода для II теплоносителя:

где n – число труб в одном ходу,

Sтр – поперечное сечение одной трубки, м2,

V2 – объёмный расход II теплоносителя, м3/с.

 

Заменив объёмный расход массовым мы получим:

 

 

Ориентировочное значение поверхности теплообменника определяем выбрав ориентировочное значение коэффициента теплопередачи в зависимости от условий теплообменника (см. табл. 5).

В задачах 11-15 тепло передаётся от насыщенных органических паров к воде (Кор=300-800 Вт/м2.К)

В задачах 16-20 тепло передаётся от водяного пара к органической жидкости (Кор=120-340 Вт/м2.К).

Тогда:

Зная np и Fop предварительно выбирают теплообменник по таблице 4 (n<np, F<Fop)

При выборе приводят все возможные варианты одного, двух, четырёх, шести ходового теплообменника (см. табл.).

Выбрав теплообменник мы имеем:

nT – табличное число труб в одном ходу,

nобщ – общее число труб во всех ходах,

L - длина труб,

FT – табличная поверхность теплообменника.

Сделав предварительный выбор теплообменника, уточняют режим движения теплоносителя II в выбранном теплообменнике.

По значению Re определяют режим движения теплоносителя и выбирают критериальное уравнение:

 

Re>10000 (турбулентный),

где , , - теплоёмкость, коэффициент динамической вязкости, теплопроводность теплоносителя II при температурах tср2

2300<Re<10000 (переходный),

Пока мы не знаем значение tcт2и принимаем

В дальнейших расчётах мы уточним этот коэффициент.

Выбрав критериальное уравнение для соответствующего режима, определяем Nu2 и α2

- коэффициент теплоотдачи от внутренней стенки в ядро потока II теплоносителя.

Определяем α1 – коэффициент теплообмена из ядра потока 1 теплоносителя к наружной стенке трубки.

Как описывалось выше α1= αконд

В задах 11-15 конденсируются органические пары

 

где - расход I теплоносителя (пара) (кг/с)

- динамическая вязкость 1 теплоносителя, (м.с)

ρ1 – плотность I теплоносителя (кг/м3)

- теплопроводность 1 теплоносителя, (Вт/м.град)

dнар – наружный диаметр трубок (м),

nобщ – общее число трубок в теплообменнике.

 

В задачах 16-20 конденсируется водяной пар:

 

где и - поправочные коэффициенты; Bt – коэффициент, зависящий от температуры конденсации пара.

Суммарное термическое сопротивление Σr определяется в зависимости от термических сопротивлений загрязнений и самой стенки

 

Σr=r1+δ/λ+r2

 

r1 и r2 – термические сопротивления загрязнённой стенки со стороны пара и жидкости (табл. 8)

δ – толщина стенки трубки = 0,002 м

λ – коэффициент теплопроводности стенки. Если стенка стальная, то λ=46,5 Вт/м.град

 

Зная α1, α2 и Σr определяем коэффициент теплопроводности:

 

4) Теперь мы можем определить поверхность теплообменника

2)

Рассчитанную поверхность сравнивают с табличной, которую мы получили при предварительном выборе теплообменника FТ.

Определяем запас поверхности теплообменника

Если Δ > 30%, то мы выбираем другой теплообменник и повторяем расчёты.

Выбор конструкции кожухотрубного теплообменника.

При выборе теплообменника по ГОСТу необходимо определить не только поверхность теплообмена и ходовость, но и выбрать конструкцию теплообменника.

Для этого необходимо найти разность температур между кожухом и трубками.

Δt=tкож-tтр,

где tкож – температура кожуха, tтр – температура трубки

tкож предполагается равной температуре теплоносителя в межтрубном пространстве tмтр

tкож= tмтр

 

Температура трубки:

 

tтр=(tст1+tст2)/2

 

где tст1 – температура наружной стенки трубки, tст2 – температура внутренней стенки трубки.

Значит, наша задача – определить температуру стенок трубки.

Для этого используют метод итераций (метод последовательных приближений)

Выразим три этапа передачи тепла через удельный тепловой поток – q:

(1)

(2)

(3),

где Q – постоянный тепловой поток, поэтому

q1=q2=q3

Задаёмся температурой наружной стенкой трубки дважды – tст1, t`ст1.

Вычисляем q1 и q`1 по уравнению (1), t`cт2 по уравнению (2), принимая q1=q2.

tст2=tcт1-q1.Σr

и q3 по уравнению (3), уточнив коэффициент теплоотдачи α2

,

где - критерий Прандтля для II теплоносителя при температуре tст2.

q3=α`2.(tст2-tcр2)

В результате получаем таблицу

 

tcт1 q1   tст2 q3
t’cт1 q`1 t`ст2 q`3

По данным таблицы строим график зависимости q1=f(tcт1), q3=f(tст2)

Точка пересечения соответствует условию q1=q2=q3=qист

Находим tст1(ист), tст2(ист) и qист по графику.

t2ст(ист) = tст1(ист) - qист.Σr

tтр= (tст1(ист) + tст2(ист) )/2

Δt=tконд-tтр

 

Определив Δt можно выбрать конструкцию теплообменника:

Δt<50 – теплообменник жёсткой конструкции (тип ТН)

Δt>50 – теплообменник полужёсткой конструкции (тип ТК)

(см. конструкции кожхотрубчатых теплообменников)

 


 

ПРИМЕР РАСЧЁТА задач 11-15

 

Рассчитать вертикальный кожухотрубный теплообменник для конденсации 7800 кг/ч насыщенного пара бензола под атмосферным давле­нием. Жидкий бензол отводится из конденсатора при температуре конденсации. Охлаждающая вода, проходящая по трубам, нагревается от 10 до 60 оС (tконд-20).

Решение.

1) Определяем среднюю разность температур Δtср

Температура конденсации бензола под атмосферным давле­нием 80,2 оС (табл. 1). Температурная схема конденсатора:

 

80,2 80,2

10 60

 

Δtн=70,2 Δtк=20,2

 

 

Так как Δtн/ Δtк > 2, то средняя разность температур:

 

 

Средняя температура охлаждающей воды:

 

tср.в=tконд-Δtср=80,2-40 =40,2 оС

 

2) Тепловая нагрузка (расход передаваемого тепла):

 

Q=G1r1=(7800/3600). 393,6.103.=848725,7 Вт

где r1 = 393,6.103Дж/кг — теплота конденсации бензола при 80 оС (табл. 2)

Расход охлаждающей воды

 

кг/с

 








Дата добавления: 2015-06-17; просмотров: 24018;


Поиск по сайту:

При помощи поиска вы сможете найти нужную вам информацию.

Поделитесь с друзьями:

Если вам перенёс пользу информационный материал, или помог в учебе – поделитесь этим сайтом с друзьями и знакомыми.
helpiks.org - Хелпикс.Орг - 2014-2024 год. Материал сайта представляется для ознакомительного и учебного использования. | Поддержка
Генерация страницы за: 0.078 сек.