Расчет кожухотрубчатого теплообменника

Для обеспечения интенсивного теплообмена принимаем критерий Рейнольдса Re₂>10000.

Минимальная скорость движения кислоты:

w₂=Re₂μ₂ /(d₂·ρ₂)=10000·1,3·10^-3/(0,021·1040)=0,59 м/с,

где m₂=1,3·10^-3 Па·с – динамический коэффициент вязкости кислоты при t=42,6°C (табл. IX, стр. 517).

Выбираем одноходовый теплообменник внутренним диаметром 325 мм с числом труб n=62 и их длиной 2м и диаметром 25×2 мм по ГОСТ 15120-79.

Скорость движения кислоты и критерий Рейнольдса для такого теплообменника составляют:

w₂=V₂ /(0,785·d₂²·n)=0,0080/(0,785·0,021²·62)=0,37 м/с;

Re₂=w₂·d₂·ρ₂/μ₂=0, 37·0,021·1040/1, 3·10^-3=6216.

Критерий Прандтля для кислоты:

Pr₂=С₂ ·μ ₂ /λ ₂ =2095·1, 3·10^-3/0, 18=15, 13,

где λ₂=0,155·1,163=0, 18 Вт/м·К – коэффициент теплопроводности кислоты при t=42,6 ^оC (рис. Х, стр.561).

Критерий Нуссельта для кислоты (расчетная формула 4.17, стр.152):

Nu₂=0,021·Re₂^0,8·Pr₂^0,43·(Pr₂ / Pr_ст.2 )^0,25 · _l = 0,021 ·6216^0,8 ·15,13^0,43 =73,17

(отношение (Pr₂ / Pr_ст.2 )^0,25 и коэффициент _l приняты равными 1).

Коэффициент теплоотдачи для кислоты:

α₂^`=Nu₂·λ₂ /d₂=73,17·0,18/0,021=627,17 Вт/м² ·К.

Коэффициент теплоотдачи для водяного пара (расчетная формула 4.54,стр. 162):

α₁=2,02* * =2,02·0,65·1147·(62·2/0,5)^1/3=9461,9 Вт/м²·К,

где =0,65 (при n_p=9 – число рядов труб по вертикали) для шахматного расположения труб;

=1147 – значение функции для водяного пара при температуре конденсации пара.

Термическое сопротивление стенки и загрязнений:

1/Σr_ст=1/r_загр.1+1/r_загр.2+d_ст./λ_ст.=1/5800+1/5800+0,002/46,5=2578,39 м²·К/Вт,

где 1/r_загр.1 = 5800 Вт/м²· К- тепловая проводимость загрязнений со стороны пара;

1/r_загр.2 = 5800 Вт/м²· К – тепловая проводимость загрязнений со стороны кислоты;

λ _ст =46,5 Вт/м·К- коэффициент теплопроводности стали.

Коэффициент теплопередачи:

теплообменный кожухотрубчатый уксусный кислота

К`=1/(1/ α₁+ Σr_ст+1/ α₂)=1/(1/9461,9+1/2578,9+1/627,1)=478,8 Вт/м²·К.

Поверхностная плотность теплового потока:

q`=K`·∆t_ср=478, 8·115,5=55301,4 Вт/м².

Расчетная площадь поверхности теплопередачи:

F_p^`=Q/q=1047081/55301, 4=18, 93 м²;

Выбираем одноходовый теплообменник внутренним диаметром 325мм с числом труб n=62 и их длиной 4м и диаметром 25×2 мм, поверхность теплообмена F=19,5 м² и сечением трубного пространства S₁=2,9·10^{-2 м2} по ГОСТ 15120-79.

С учетом длины труб L=4м пересчитаем значения коэффициента теплоотдачи для пара, коэффициента теплопередачи, поверхностной плотности теплового потока и расчетной поверхности.

α₁=2,02* * =2,02·0,65·1147·(62·4/0,5)^1/3=11921,3 Вт/м²· К;

К=1/(1/ α₁+ Σr_ст+1/ α₂)=1/(1/11921,3 +1/2578,39+1/627,17)= 484 Вт/м²· К;

q=K·∆t_ср=484·115, 5=55902 Вт/м²;

F_p=Q/q=1047081/55902=18,73 м².

Число аппаратов:

N= F_p / F= 19,5/18,73=1,05

Принимаем N=1 шт.

Запас поверхности теплообмена:

·100%=(19,5-18,73)/18,73·100%=4,11 %.

Масса аппарата М=820 кг.

Металлоемкость ~ 54,7 кг\м² поверхности теплообмена.

Цена аппарата 900 руб.

3. Расчет теплообменника "Труба в трубе"

Скорость кислоты в трубах для обеспечения турбулентного течения должна быть больше минимальной скорости движения кислоты.

Минимальная скорость движения кислоты:

w₂`=(10000·μ₂)/(d₂·ρ₂)=(10000·1,3·10^-3)/(0,05·1040)=0,25 м/с.

Число параллельно работающих труб:

n` = V<sub>2</sub> /(0,785·d<sub>2</sub><sup>2</sup>· w<sub>2</sub>`)= 0,008/(0,785·0,05²·0,25)=16,3

Принимаем количество параллельно работающих труб 57×3,5 n=16.

Скорость движения кислоты:

w₂=V₂/(0,785·d₂²·n)= 0,0008/(0,785·0,05²·16)=0,255 м/с

Критерий Рейнольдса для кислоты:

Re₂=w₂·d₂·ρ₂/μ₂=0,225· 0,05·1040/(1,3·10^-3)=10200

Критерий Прандтля для кислоты:

Pr₂=С₂·μ₂/λ₂=2095·1,3·10^-3/0,18=15,13

Критерий Нуссельта для кислоты рассчитываем согласно формуле 4.17, стр.152:

Nu₂=0,021·ε_l·Re^0,8·Pr^0,43· (Pr/Pr_ст)^0,25

(отношение (Pr/Pr_ст)^0,25 и коэффициент ε_l принимаем равными 1)

Nu₂=0,021·Re^0,8·Pr^0,43=0,021·10200^0,8·15,13^0,43=108,75

Коэффициент теплоотдачи для кислоты:

α₂=Nu₂·λ₂ /d₂=108,75·0,18/0,05=391,5 Вт/м²·К

Коэффициент теплоотдачи для водяного пара (расчетная формула 4.54, стр.152):

α₁=1,28· ·А_t/(d · t)^0.25= 1,28·0,65·7483/(0,05·5)=8896 Вт/м²·К,

где А_t=7483 - значение функции для водяного пара при температуре конденсации пара;

t=5 – принятое значение средней разности температур.

Термическое сопротивление стенки и загрязнений:

1/Σr_ст=1/r_загр.1+1/r_загр.2+d_ст./λ_ст=1/5800+1/5800+0,002/46,5=2578,9 м²·К/Вт.

Коэффициент теплопередачи:

K=1/(1/ α₁+ Σr_ст+1/ α₂)=1/(1/8896+1/2578,9+1/391,5)=327,3 Вт/м²·К.

Поверхностная плотность теплового потока:

q=K·∆t_ср=327,3·115,5=37803,15 Вт/м².

Расчетная площадь поверхности теплопередачи:

F_p=Q/q=1047081/37803, 15=27, 7 м²

С учетом запаса 10%:

F_p =30, 47 м²

Площадь поверхности теплообмена одного элемента длиной L=4м:

F₁ = П·d_ср·L= 3, 14·0, 0535·4=0,672 м²

Число элементов в каждой из двух секций:

N= F_p /n·F=30, 47/2·0, 672=20,6=21

Общее число элементов:

n·N=2·21=42 шт.

Масса аппарата "труба в трубе" М=4200 кг.

Металлоемкость ~99,5 кг\м² поверхности теплообмена.

Цена аппарата 4200 руб.

Заключение

В данной работе проведен расчет кожухотрубчатого теплообменника (ГОСТ 15120-79) с трубами 25х2 мм и теплообменника типа "труба в трубе" (ГОСТ 9930-78), изготовленного из труб 89х4 мм (наружная труба) и 57х3,5 мм (внутренняя труба). Результаты расчетов показывают, что кожухотрубчатый теплообменник обладает рядом преимуществ перед теплообменником типа "труба в трубе": имеет выше коэффициент теплопередачи, меньшую площадь поверхности, меньшую массу, меньшую металлоемкость и ниже по стоимости. На основании всех этих показателей можно сделать вывод о том, что рациональнее выбрать кожухотрубчатый теплообменник для обеспечения должного теплообмена и достижения более высоких тепловых нагрузок на единицу массы аппарата.

Список используемой литературы

1. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Л.: Химия, 1983. 578 с.

2. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию / Под ред. Ю.И. Дытнерского. М.: Химия, 1991. 496с.

3. Лащинский А.А., Толчинский А.Р. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры. Л.: Машиностроение, 1970. 752с.

4.Тимонин А.С. Основы конструирования и расчета химико-технологического и природоохранного оборудования; Справочник. Т.2.-Калуга: Издательство Бочкаревой Н., 2002. 1028 с.

5. Локотанов Н.С., Ермаков С.А. Методические указания к курсовому проектированию. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2003. 42 с.

Размещено на Allbest.ru