Расчет кожухотрубчатого теплообменника

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ  И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Северский технологический  институт – филиал

Федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования

«Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

(СТИ НИЯУ МИФИ)

 

 

Кафедра МАХП

 

 

РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕННИКА КОЖУХОТРУБЧАТОГО

Расчетная работа

ПАХТ 149. 02. 00. РР

 

 

 

 

 

Выполнил:

студент гр. Д-149

__________Борисова М.А.

«___»___________ 2012 г.

Проверил:

преподаватель:

_________Зарипова Л.Ф.

«___» __________ 2012 г.

 

 

 

 

 

 

 

 

Северск 2012

Содержание

Введение 3

1. Цель расчета 4
2. Данные для расчета 4

5. Тепловой расчет аппарата 4

3.1 Тепловая нагрузка  аппарата 4

3.2 Расчет средних температур  теплоносителей и средней разности  температур 5

3.3 Расчет коэффициентов теплоотдачи от конденсирующего пара к стенке 6

3.4 Определение поверхности теплообмена 12

4. Конструктивный расчет теплообменника 19

4.1 Определение числа  труб и числа ходов в трубном пространстве 19

4.2 Внутренний диаметр  корпуса 20

4.3 Диаметр патрубков 20

5. Гидравлический расчет теплообменника 22

     6  Расчет  изоляции …………………………………………………….…………24

     7 Подбор  материала для корпуса.............................................................................25

           Заключение 26

Литература 27

Эскиз теплообменника (приложение А)  28

 

Введение

 

Теплообменная аппаратура широко применяется  в химической технологии в различных  процессах нагревания, охлаждения растворов, жидкостей, конденсации пара, испарения  жидкости.

Кожухотрубчатые теплообменники в настоящее время являются самыми распространенными теплообменными аппаратами. Они обеспечивают высокую теплопроизводительность, большую поверхность теплопередачи. Наиболее целесообразно применение кожухотрубчатых теплообменников для парожидкостного теплообмена. В этом случае пар конденсируется в межтрубном пространстве, обеспечивая равномерность температуры и высокий коэффициент теплопередачи, а раствор или жидкость пропускается по трубному пространству, в котором можно достичь высокую скорость движения, тем самым повысить интенсивность теплообмена.  С целью увеличения скорости движения теплоносителя и интенсификации теплообмена в теплообменнике устанавливают перегородки в трубном или межтрубном  пространствах, то есть теплообменники выполняют многоходовыми.

Кожухотрубчатые теплообменники могут  выполняться в вертикальном или  горизонтальном исполнении.

Данная работа посвящена расчету  кожухотрубчатого парожидкостного  теплообменника.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Цель расчета

 

Целью расчета является закрепление  теоретических выводов и расчетно-практических рекомендаций по курсу «Процессы и аппараты химической технологии» и их приложение к конкретному расчету кожухотрубчатого горизонтального или вертикального парожидкостного теплообменника.

 

2 Исходные данные

Исходные данные приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Исходные данные

Конденсирующийся насыщенный пар	Этиловый спирт
Давление пара, МПа	0,1
Жидкость – раствор	Вода
Концентрация раствора, %	–
Производительность по пару, кг/с	0,25
Начальная температура жидкости, 0С	14
Конечная температура жидкости, 0С	45

 

3 Тепловой  расчет аппарата

3.1 Тепловой расчет

Целью теплового расчета  теплообменного аппарата является определение  тепловых потоков в аппарате, его  тепловой нагрузки, истинных значений коэффициентов теплопередачи, температур стенок и поверхности теплообмена.

         (1)  

Q – тепловая нагрузка аппарата (количество переданного тепла).

          

где D – расход пара, кг / с;

      i_п – энтальпия насыщенного пара, Дж/кг;

где i_к– энтальпия конденсата, Дж / кг;

        r – удельная теплота парообразования или конденсации, Дж / кг;

  h_п – коэффициент полезного использования тепла в аппарате;

      G₂ – массовый расход жидкости второго теплоносителя, кг / с;

      C₂ – удельная теплоемкость жидкости, Дж / кг · К;

      t_2к – конечная температура жидкости;

      t_2н – начальная температура жидкости.

3.2 Расчет средних температур теплоносителей и средней разности температур

Определение средних температур горячего теплоносителя:

t_1ср=t_конд (при р_пара=0,1МПа)

t_1ср=78,37⁰С (при р_пара=0,1Мпа) [1]

.

Теплота испарения жидких веществ:

При t=60⁰C ,  r=210ккал/кг

При t=80⁰С, r=203ккал/кг => при t=78,37⁰С – r=203^.4190=850570Дж/кг

[ Плановский приложение VII].

В случае конденсации пара в теплообменнике средняя температура первого (горячего) теплоносителя равна температуре  конденсации пара.

 

 

 

 

 

 

 

 

;

.

 

Средняя разность температур между  теплоносителями определяется по формуле:

⁰C < 2

 

Определим t_IIcp:

 

 

.

 

По таблице удельной теплоемкости жидких веществ и водных растворов при t_IIcp=30⁰С определим:

 

=4,18КДж/кг·К=4,18·10³Дж/кг·К. [2 – стр. 512 табл.XXXIX]

 

3.3 Расчет коэффициентов теплоотдачи от конденсирующего пара к стенке

 

Принимаем Н=2м, (t_конд-t_ст1)=1⁰, 5⁰, 10⁰, 15⁰, 20⁰С.

Рассчитываем для каждой t_ст1 коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенки по формуле :

где l – коэффициент теплопроводности конденсата, Вт/м · К;

  r – плотность конденсата, кг/м³;

       r – удельная теплота конденсации, Дж/кг;

      g – ускорение свободного падения, g=9,81м/с²;

  m – динамический коэффициент вязкости, Па^.с;

       d – наружний диаметр трубы, d= 0,025 м;

    t_ст1 – температура стенки, ⁰С. 

Найдем значения l, r, m при температурах конденсации и составим таблицу 2 :   

Таблица 2 – Расчетные  значения l, r, m

	r, кг/м3	m, Н·с/м2	l, Вт/м · К
tIcp=78,37≈80	735	0,435·10-3	0,164
tIIcp=77,37	737	0,465·10-3	0,164
tIIIcp=73,37	741	0,487·10-3	0,164
tIIIIcp=68,37	746	0,526·10-3	0,164
tIVIcp=63,37	751	0,565·10-3	0,165
tVIcp=58,37	755	0,610·10-3	0,165

 

 

1. Для t^I_Icp методом интерполяции, которая представлена в таблице 3, найдем значения l, r, m и запишем их в таблицу 2 :

 

Таблица 3 – Метод интерполяции

tIIcp	r, кг/м3	m, Н·с/м2	l, Вт/м · К
60	754	0,591·10-3	0.165
77,37	Х	У	Z
80	735	0,435·10-3	0,164

 

Этим же методом рассчитаем l, r, m для t^II_Icp, t^III_Icp, t^IV_Icp, t^V_Icp и подставим в таблицу 2. [ Плановский. Приложение 1, 2]

 По формуле (3) для разных температур определим:

Определим удельный тепловой поток  из уравнения теплоотдачи по формуле:

;

Из формулы:

 

Определим ряд значений температуры стенки со стороны нагреваемой жидкости:

где d_ст – толщина стенки трубок, d_ст=0,002м;

  l _ст – коэффициент теплопроводности материала трубок, l _ст=46,5Вт/мК.

Рассчитаем  коэффициент теплоотдачи от стенки к жидкости:

                            

                           (6)

где ε_l – поправочный коэффициент, e_l=1,0;

      Pr – критерий Прандтля при средней температуре t_IIcр;

   Pr_ст – критерий Прандтля при температуре стенки.

 

                              

                     (7)               

 

где при t_IIcp=30⁰C:

=4,18КДж/кг·К,

       μ =804·10^-6Па·с,

       λ =61,8·10^-2Вт/м·К. [ 2 – стр. 520]

Найдем значения С, λ, μ при температурах стенки со стороны нагреваемой жидкости и составим таблицу 3:

Таблица 3 – Расчетные значения С, λ, μ

	C, Дж/кг·К	μ, Па·с	λ, Вт/м·К
tIIcp=300С	4,18·103	804·10-6	61,4·10-2
tIст2=76,29	4,19·103	373,921·10-6	66,36·10-2
tIIст2=73,02	4,19·103	390,598·10-6	67,01·10-2
tIIIст2=67,79	4,18·103	420,923·10-6	66,60·10-2
tIVст2=62,59	4,18·103	470·10-6	65,9·10-2
tVст2=57,41	4,18·103	490,461·10-6	65,6·10-2

 

1. Для t^I_ст2 методом интерполяции, представленной в таблице 4, найдем значения С, λ, μ и подставим их в таблицу 3:

Таблица 4 – Метод интерполяции

tIст2	C, Дж/кг·К	μ, Па·с	λ, Вт/м·К
70	4,19·103	406·10-6	66,8·10-2
76,29	х	у	z
80	4,19·103	355·10-6	67,5·10-2

 

Этим же методом рассчитываем С, λ, μ для t^II_ст2, t^III_ст2, t^IV_ст2, t^V_ст2 и подставим в таблицу 3. [2– стр.520]

По формуле (7), определим критерии Прандтля при различных температурах t_ст2:

По формуле (6) рассчитываем критерий Нуссельта: