Технологический расчет теплообменного аппарата

Горячий теплоноситель (водяной пар) t_1н=100⁰С, t_1к=40⁰С, G₁=22*10³ кг/ч.

Хладагент (CaCl₂, 10%) t_2н=30⁰С, t_2к=95⁰С.

Р = 3,5 атм = 0,35 МПа.

Определение поверхности стандартного теплообменного аппарата Для определения поверхности стандартного теплообменного аппарата используем основное уравнение теплопередачи:

где, Q — тепловая нагрузка аппарата, кВт;

К — коэффициент теплопередачи, Вт/м²· К;

— средний температурный напор.

Расчет средней температуры теплоносителей.

Их физические величины:

Плотность, кг/м³ ₁=980 ₂=1075,5.

Вязкость, Па*с ₁=0,42*10^-3 ₂=0,855*10^-3

Удельная теплоемкость, Дж/кг*К с₁=4190 с₂=3623.

Теплопроводность, Вт/м*К ₁=0,663 ₂=0,623.

Расчет средней логарифмической разности температур при прямотоке и противотоке Прямоток:

100>40.

30>95.

Противоток:

100>40.

95<30.

Расчёт тепловой нагрузки аппарата.

Q = Q_конд + Q₁

Q₁ = G₁c₁(t_1н — t_1к).

Q_конд = G₁ · r_конд

где, r_конд = 2342 кДж/кг;

G₁ -массовый расход теплоносителя, кг/с (G₁=2200/3600)=6,11 кг/с);

с₁ — удельная теплоемкость водяного пара, Дж/(кг· К);

t1н и t1к — начальная и конечная температура теплоносителя.

Q_конд = 6,1111· 2342 = 14 312,2 к Вт;

Q₁ = 6,1111 •4190•(100−40) = 1 536 330,54 кВт;

Q = 14 312,1962+1 536 330,54= 1 550 642,74 кВт Определение массового расхода хладагента (СаСl, 10%).

G₂= Q/ c₂(t_2к — t_2н).

G₂ = 1 550 642,74/3623• (95−30) = 6,58 кг/с.

G₂ = 6,58· 3600=23 704,59 кг/ч Расчет ориентированной поверхности теплоносителя Принимаем ориентировочное значение коэффициента теплопередачи, Кор=800 Вт/м²•К [2. табл. 1]. Тогда ориентировочная поверхность теплообмена:

Для прямотока.

Для противотока.

где F — площадь теплопередающей поверхности, м²;

Q — тепловой поток в аппарате, Вт;

К — коэффициент теплопередачи, К_ор=const, Вт/м²· К [2. табл. 2.1]; ?t_ср — средняя разность температур между теплоносителями, °С,.

(Выбираем наименьшую поверхность, т. е. прямоток) Ориентировочный выбор теплообменника Какой теплоноситель отправить в трубное пространство, обусловлено его температурой, давлением, коррозийной активностью, способностью загрязнять поверхность теплообменника, расходом и др. В данном случае в трубное пространство с меньшим проходным сечением [2. табл. 2.3] целесообразно направить теплоноситель с меньшим расходом и поверхностью, т. е. водяной пар. Направляя поток холодной жидкости в межтрубное пространство, можно отказаться от теплоизоляции кожуха теплообменника.

Примем ориентировочное значение Re_ор=15 000, что соответствует развитому турбулентному режиму течения в трубах:

для труб диаметром d_н=202 мм:

для труб диаметром d_н=252 мм:

где, µ₁ — вязкость водяного пара, Па*с;

d_вн — внутренний диаметр труб, мм. Табличная величина труб теплообменников [2. табл. 2,3].

По справочным данным [2. Табл. 2.3] выбираем подходящий теплообменный аппарат, площадь поверхности которого сопоставима с ориентировочной площадью поверхности теплообмена:

F_ор=49 м²; D=600 мм; d_н=25×2 мм; z=4; n/z=206/4=51.

где, F_ор — ориентировочная поверхность теплообмена;

D — диаметр кожуха, мм;

d_н — диаметр труб, мм;

n — Число труб, шт;

z — число ходов.

Уточнённый расчёт поверхности теплопередачи Расчет объемного расхода.

V — объемный расход рабочей среды, м³/с; находят как:

V=.

V₁ = = 0,0062 м³/с V₂ = = 0,0061 м³/с.

Скорость теплоносителей щ_тр — скорость рабочей среды, м/с; определяют, как:

в трубах:

щ_тр=.

в межтрубном пространстве:

щ_мтр=.

где f_тр — площадь проходного сечения трубного пространства выбранного аппарата; f_мтр = площадь проходного сечения межтрубного пространства выбранного аппарата.

щ₁ = щ₂ =.

Расчет критериев В трубном пространстве (СаСl₂).

Критерий Рейнольдса.

Критерий Прандтля.

Критерий Нуссельда Для ламинарного движения.

Nu₂ = 0,008Re₂^0,9Pr₂^0,43 = 0,008· 3962^0,9·4,97^0,43 = 29,58.

Коэффициент теплоотдачи для СаСl₂

₂ = = Вт/м²К.

В межтрубном пространстве (водяной пар) Критерия Рейнольдса.

Критерий Прандтля.

Критерий Нуссельда При турбулентном режиме движения потока, критерий Нуссельта рассчитывается по формуле:

Nu₁ = 0,021Re₁^0,8 Pr₁^0,43=0,2 119 833,33^0,82,65^0,43 =87,49.

Коэффициент теплоотдачи для водяного пара.

₁ = = Вт/м²К.

Расчёт теплового сопротивления стенки.

где,_ст = 0,002 м — толщина стенки трубки;

_ст = 17,5 Вт/мК — теплопроводность нержавеющей стали[1 c.529];

r₁ = r₂ = 2900 мК/Вт — тепловое сопротивление загрязнений стенок, (примем, что вода хорошего качества) [1 c. 531];

Коэффициент теплопередачи.

Требуемая поверхность.

= 33 м²

Для выполнения условия:

Устанавливаем выбранный стандартный аппарат. Общая поверхность теплообмена F_ст = 49 м².

Запас поверхности теплообмена составляет: