Кожухотрубчатые теплообменники

Тогда разность температур на входе  ─ Δt_вх и на выходе ─ Δt_вых из теплообменника соответственно равны:

Δt_вх= | Т_В2-Т_А1| = |60-35| = 25 °С;

Δt_вых= |Т_А2-Т_В1| = |80-25| = 55°С.

Средняя разность температур теплоносителей:

Δt_ср= (Δt_вх+ Δt_вых)/2,        (2.4)

Δt_ср= (25 + 55)/2 = 40 °С.

2.4 Нахождение ориентировочной поверхности теплообмена Fори выбор рассчитываемого теплообменника

Решение вопроса о том, какой  теплоноситель направить в трубное  пространство, обусловлено его температурой, давлением, коррозионной активностью, способностью загрязнять поверхности  теплообмена, расходом и др. В рассматриваемом примере в трубное пространство целесообразно направить толуол, так как он является наиболее взрывопожароопасным теплоносителем. Это позволит снизить вероятность возникновения аварийной ситуации при эксплуатации теплообменника.

Ориентировочное значение поверхности:

F_ор.= Q/(K∙∆t_ср),         (2.5)

где К ─ приблизительное значение коэффициента теплопередачи.

В соответствии с таблицей 2.1[2] примем К_ор= 45 Вт/м²∙К.

F_ор.= 318,24/(45∙40) = 0,17 м²

Рассчитаем необходимое число  труб, приходящееся на один ход теплообменника

n/z = 4∙G_А/(π∙d_вн∙µ_А∙ Re_op),        (2.6)

где n ─ число труб; z ─ число  ходов по трубному пространству; d_вн─ внутренний диаметр труб, м;

Примем ориентировочное значение Re_op= 15000 , что соответствует развитому турбулентному режиму течения в трубах. Очевидно, такой режим возможен в теплообменнике, у которого число труб, приходящееся на один ход, равно:

─ для труб диаметром d_н= 20×2 мм ─

n/z = 4∙20,8 /(3,14∙0,016∙0,000009635∙15000) = 11458,5;

─ для труб диаметром d_н= 25×2 мм ─

n/z = 4∙20,8 /(3,14∙0,021∙0,000009635∙15000) = 8730,3.

В соответствии с ГОСТ 15120-79 и ГОСТ 15122-79 соотношение n/z принимает наиболее близкое к заданному значению у теплообменника параметры, которого представлены в таблице 2.1.

Таблица 2.1 ─ Параметры кожухотрубчатого теплообменника согласно ГОСТ 15120-79 и ГОСТ 15122-79

D, мм	dн, мм	z	n	L,м	F, м2
1000	0,025	1	747	3	176

Так как поверхность теплообмена  стандартного теплообменника намного  больше ориентировочного значения поверхности  теплообмена, то принимаем решение установить нестандартный теплообменник параметры, которого представлены в таблице 2.2.

Таблица 2.2─Параметры нестандартного кожухотрубчатого теплообменника

D, мм	dн, мм	z	n	L,м	F, м2
1000	0,025	1	747	1	58,67

2.5 Расчет коэффициента теплопередачи K

Коэффициент теплопередачи K рассчитывается по формуле (2.7):

К = (1/α₁+δ_ст/λ_ст+r_з1+ r_з2+1/α₂)^-1,      (2.7)

где α₁и α₂─ коэффициенты теплоотдачи со стороны теплоносителей, Вт/(м²∙К); λ_ст─ теплопроводность материала стенки, Вт/(м∙К); δ_ст─ толщина стенки, м; 1/r_з1и 1/r_з2─ термические сопротивления слоев загрязнений с обеих сторон стенки, Вт/(м²∙К).

Сумма термических сопротивлений  со стороны стенки и загрязнений  равна:

Σδ/λ = δ_ст/λ_ст+ r_з1+ r_з2,      (2.8)

При δ_ст= 2 мм = 0,002 м, Для стали сталь 20 теплопроводность λ_ст= 46,5 Вт/(м∙К). 1/r_з1= 5800 Вт/(м2∙К), 1/r_з2= 2800 Вт/(м2∙К) [3], термическое сопротивление со стороны стенки равно:

Σδ/λ= 0,002/46,5+1/5800+1/2800 = 5,7∙10^-4м²∙К/Вт

Действительное число Re вычисляется  по формуле:

Re_A= 4∙G_А∙z/(π∙d_вн∙n∙µ_А)        (2.9)

Re_A= 4∙20,8∙1/(3,14∙0,021∙747∙0,000009635) = 17530,81

Коэффициент теплоотдачи со стороны  хлорбезола к стенке α₁ равен:

α₁= λ/d_вн(0,023∙Re^0,8∙(Pr/Pr_ст)^0,25∙Pr^0,4),     (2.10)

где Рг_ст ─ критерий Прандтля, рассчитанный при температуре стенки t_ст.

Рг_A= c_A∙µ_А/λ_A= 0,34∙0,9635 ∙10^-5/0,022 = 1,48

Среднюю температуру воздуха определим, как среднее арифметическое его  начальной и конечной температур:

Т_В= (Т_В1+Т_В2)/2 = (25+60)/2 = 42,5°С

Среднюю температуру хлорбезола определяется следующим образом:

Т_A= Т_B+ Δt_cp= 42,5+ 40 = 82,5 °С

Температуру стенки можно определить из соотношения

t_ст= T_ср± Δt,          (2.11)

где T_ср─ средняя температура теплоносителя, Δt ─ разность температур теплоносителя и стенки.

Расчет α₁- ведем методом последовательных приближений.

В первом приближении примем Δt₁= 60 °С. Тогда

t_ст1=82,5 - 60 = 22,5°С

Рг_Аст=c_Aст∙µ_Аст/λ_Aст= 1320,5∙0,8348 ∙10-5/0,0153 = 0,72

α₁= (0,0153/0,021)∙0,023∙24610,56^0,8∙(1,48/0,72)^0,25∙0,67^0,4,= 54,54 Вт/(м²∙К)

Для установившегося процесса передачи тепла справедливо уравнение:

q = α₁∙Δt₁= Δt_ст/(ΣΔδ/λ) = α₂∙Δt₂,      (2.12)

где q ─ удельная тепловая нагрузка, Вт/м²; Δt_cт─ перепад температур на стенке, °С; Δt₂─ разность между температурой стенки со стороны воздуха и температурой самого теплоносителя, °С.

Отсюда:

Δt_ст= α₁∙Δt₁∙(Σδ/λ) = 54,54∙60∙5,7 ∙10^-4= 1 °С

Тогда

Δt₂= Δt_ср-Δt_ст-Δt₁= 40-1-17,5 = 21,5°С

Коэффициент теплоотдачи со стороны  воздуха к стенке α₂

Площадь сечения потока в межтрубном пространстве для подобранного теплообменника Sмтр= 0,143 м², тогда

Re_В= G_В∙d_н/(S_мтр∙µ_B)        (2.13)

Re_В= = 0,008∙0,025/(0,143∙0,00001926) = 72,616

Рг_B= c_B∙µ_B/λ_B= 1007,5∙0,00001926/0,0279 = 0,6955

α₂= (0,0279/0,025)∙0,24∙72,616^0,6∙0,6955^0,36= 3,0724 Вт/(м²∙К)

Вычислим тепловые нагрузки со стороны каждого из теплоносителей:

─ со стороны хлорбезола ─

q′ = α₁∙Δt₁= 55,85∙17,5= 977,37 Вт/м²;

─ со стороны воздуха ─

q″ = α₂∙Δt₂= 3,0724∙21,5 = 66,0566 Вт/м².

Как видим, q′≠q″.

Для второго приближения примем Δt₁= 65 °С.

Тогда

t_ст1= 65-35 = 30 °С

Рг_Аст= 1282,4∙0,8116 ∙10-5/0,0145 = 0,72

α₁= (0,022/0,021)∙0,023∙24610,56^0,8∙(1,48/0,72)^0,25∙0,67^0,4= 78,81 Вт/(м²∙К)

Δt_ст= 78,81∙65∙5,7 ∙10^-4= 2,9 °С

Δt₂= 40-1-17,5 = 21,5°С

t_ст2= 42,5 + 21,5 = 64°С

α₂= (0,0279/0,025)∙0,24∙72,616^0,6∙0,6955^0,36= 3,0479 Вт/(м²∙К)

Тепловые нагрузки со стороны каждого  из теплоносителей равны:

─ со стороны хлорбезола ─

q′ = 54,54∙65 = 3545,1 Вт/м²;

─ со стороны воздуха ─

q″ = 3,0479 ∙21,5 = 65,529 Вт/м².

Как видим, q′ ≈ q″.

Расхождение между тепловыми нагрузками (2,8%) не превышает 5%, следовательно, расчет коэффициентов α₁ и α₂ на этом можно закончить.

Коэффициент теплопередачи равен:

К=1/(1/54,54+1/3,0479 +5,7∙10^-4) = 2,88 Вт/(м²К)

Найдем уточненное значение относительной  тепловой нагрузки q_ср, как среднее арифметическое q′ и q″

q_ср= (q′ + q″)/2 = (3545,1 + 65,529)/2 = 1805 Вт/м²

Известно, что относительная тепловая нагрузка связана с коэффициентом  теплопередачи следующим образом:

q = K∙Δt_ср        (2.14)

Тогда выражение для нахождения уточненного значения требуемой поверхности теплообмена примет вид

F = Q/(K∙Δt_ср) = Q/q_ср      (2.15)

F = 318,24 /1805= 0,176 м²

∆ = [(55,85-0,176)/55,85]∙100% = 99%

Результаты уточненного расчета  поверхности теплопередачи сведены  в таблицу 2.3.

Таблица 2.3 ─ Результаты уточненного расчета поверхности теплопередачи

Количество теплообменников, N	F,м2	RеA	RеB	α1,Вт/(м2∙К)	α2,Вт/(м2∙К)
1	1000	17530,81	72,61	55,85	160,18

2.6 Расчёт гидравлического  сопротивления теплообменника

Гидравлическое сопротивление  в трубном пространстве ∆pтр рассчитываем по формуле:

∆p_тр= λ∙L∙z∙w²_тр∙ρ_тр/2d +[2,5(z-1)+2z]∙w²_тр∙ρ_тр/2+3w²тр.ш∙ρ_тр/2   (2.16)

Скорость хлорбезола рассчитывается по формуле:

w_тр= 4∙G_А∙z/(π∙d²_вн∙n∙ρ_А)        (2.17)

Отсюда скорость будет равна:

w_тр=4∙20,8∙1/(3,14∙0,0212∙747∙2,74) = 0,610 м/с

Коэффициент трения в трубах рассчитывается по формуле:

λ = 0,25{lg[e/3,7+(6,81/Re_тр^)0,9]}^-2,       (2.18)

где е = Δ/d_вн─ относительная шероховатость труб; Δ ─ высота выступов шероховатостей

е = 0,0002/0,021 = 0,0095

Отсюда коэффициент трения будет равен:

λ = 0,25{lg[0,0095/3,7+ (6,81/17530,81)^0,9]}^-2= 0,02.

Скорость раствора в штуцерах рассчитывается по формуле:

w_шт= 4∙G_А/(π∙d_шт²∙ρ_А)      (2.19)

Отсюда скорость раствора в штуцерах будет равна:

w_шт=4∙20,8/(3,14∙0,3²∙2,74) = 107,4 м/с.

Гидравлическое сопротивление в трубном пространстве:

∆p_тр= 0,04∙1∙1∙4,12∙2,74/(0,021∙2)+[2,5(1-1)+2∙1]∙4,12∙2,74/2+3∙2,74∙152/2 = 10147 Па.

Расчётная формула для определения  гидравлического сопротивления  в межтрубном пространстве ∆p_мтр имеет вид:

∆p_мтр=3∙m∙(x+1)∙ρ_мтрw²_мтр/2 Re_мтр^0,2+1,5∙x∙ρ_мтр²w²мтр/2+3∙ρ_мтрw²мтр.шт/2, (2.20)

где x ─ число сегментных перегородок, m ─ число рядов труб, преодолеваемых потоком теплоносителя в межтрубном пространстве.

Скорость воздуха в наиболее узком сечении межтрубного пространства площадью S_мтр= 0,143 м², рассчитывается по формуле:

w_мтр= G_В/(S_мтр∙ρ_В)         (2.21)

w_мтр=0,008 ∙/(0,143∙1,65) = 0,03 м/с

Число рядов труб, омываемых потоком  в межтрубном пространстве,

округляя в большую сторону, получим m = 10. Число сегментных перегородок х = 0. Диаметр штуцеров к кожуха d_мтр.шт= 0,3 м, скорость потока в штуцерах

w_мтр.шт=0,008 ∙4/(3,14∙0,3²∙1,65) = 0,06 м/с

В соответствии с формулой (2.20) сопротивление  межтрубного пространства равно

∆p_мтр= 3∙16∙(0+1)∙1,65∙25²/(2∙72,616^0,2) + 1,5∙0∙1,65²∙25²/2 +3∙1,65∙50,6²/2 = 16846 Па.

Результаты гидравлического расчета  холодильника сведены в таблицу 2.4

Таблица 2.4 ─ Результаты гидравлического  расчета

λ	wтр, м/с	wтр.шт, м/с	wмтр, м/с	wмтр.шт, м/с	m	x	ΔPтр, Па	ΔPмтр, Па
0,02	0,610	107,4	0,03	0,06	16	0	10147	16846

 

 

3 Расчет конденсатора  паров хлорбезола

Кожухотрубные конденсаторы предназначены  для конденсации паров в межтрубном пространстве, а также для подогревания жидкостей за счет теплоты конденсации  пара.