Расчет кожухотрубного теплообменника

    Определяем критерий Рейнольдса:

Re₁=ω_1*d_Э/ν₁=0,0910263_*0,0578/2,0734_*10^-7=25375,328;

    Критерий Прандтля для стенки при средней её температуре:

Pr_стенки=1,4325;

    Определяем критерий Нуссельта при 1_*10³<Re<1_*10⁵ :

Nu₁=0,41_*Re₁^0.6_*Pr₁^0.33_*(Pr/Pr_ст)^0,25_*Е_s*E_L=0,41_*25375,328^0,6_*1,2^0,33_*(1,2/1,4325)^0,25_*1_*1=182,94

         где для шахматного расположения труб шаги

Е_S=1 при s₁/2>=2, E_S=1,12 - наоборот;

    Теплоотдача от греющего теплоносителя к стенкам трубного пучка:

α₁=(Nu_1*λ₁)/d_Э=(182,94_*0,68456)/0,0578=2166,78 Вт/(м²_*К);

    Находим коэффициент теплопередачи:

k=(d_ср*(1/(α_2*d₂)+1/(2_*λ_ст)_*ln(d₁/d₂)+1/(α_1*d₁)))^-1=

=(0,0205_*(1/(17722,488_*0,019)+1/(2_*18)_*ln(22/19)+

+1/(2166,78_*0,022)))^-1=1740,92 Вт/(м²_*К);

    Среднелогарифмический температурный напор:

∆t_б=49,8ºС,

∆t_м=30 ºС,

∆t_ср=(∆t_б-∆t_м)/ln(∆t_б/∆t_м)=(49,8-30)/ln(49,8/30)=39,07ºС;

        Находим необходимую площадь теплообмена:

F=Q_м/( k_*∆t_ср)=100044,7/(1740,92_*39,07)=1,4708 м²;

        Удельная площадь погонного метра трубки по среднему диаметру:

s’=π_*(d_нар+d_внтр)²/2=π_*(0,022+0,019)²/2=0,0644026 м²/м;

        Общая предварительная  длина трубок:

L=F/s’=1,4708/0,0644026=22,839 м;

        Теоретически складывающаяся длина трубок укладывающихся в один теплообменник, покрывающего расчётную поверхность теплообмена:

l’=L/(n_0*n_х)=22,839/(1_*18)=1,27 м;

Задаёмся длиной одной трубки: L₀=1,4 м;

Общая площадь  поверхности теплообмена единицы  теплообменника:

F’=L_0*s’_*(n_0*n_х)=1,4_*0,0644026_*(1_*18)=1,62 м²;

Запас  по площади  теплообмена в одном теплоагрегате:

∆F=(F’-F)/F_*100%=(1,62-1,47)/1,47_*100%=10,3%;

Итоговая длина  трубок рубашки теплообмена:

ΣL=L_0*(n_0*n_х)=1,4_*(1_*18)=25,2 м²;

Вместимость межтрубного  пространства:

V_мжтрб=F_1*L₀=0,0274646_*1,4=0,03845 м³ или 38,5 литров;

4.2.Тепловой поверочный расчёт

        исходные данные:

Начальная температура  греющего теплоносителя на выходе:

Т₁^’=150 ºС;

Начальная температура  на выходе нагреваемого теплоносителя:

Т₂^’=90ºС ;

Массовый расход греющего теплоносителя:

G₁=2,3073 кг/сек (9 м³/час);

Массовый расход нагреваемого теплоносителя:

G₂=0,7889 кг/сек (3 м³/час);

Удельная теплоёмкость греющего теплоносителя:

с₁=4251,6 Дж/(кг_*ºС);

Удельная теплоёмкость нагреваемого теплоносителя:

с₂=4225,3 Дж/(кг_*ºС);

Площадь поверхности  теплообмена:

F=1,62294 м²;

Коэффициент теплопередачи:

К=1740,92 Вт/(м²_*К);

      расчёт по методу эффективности (φ - тока):

Водяной эквивалент греющего теплоносителя:

W₁=c_1*G₁=4251,6_*2,3073=9809,71 Вт/ºС;

Водяной эквивалент нагреваемого теплоносителя:

W₂=c_2*G₂=4225,3_*0,7889=3333,33917 Вт/ºС;

Число единиц переноса для греющего теплоносителя:

N₁=K_*F/W₁=1740,92_*1,62294/9809,71=0,288022

Число единиц переноса для нагреваемого теплоносителя:

N₂=K_*F/W₂=1740,92_*1,62294/3333,33917=0,84762;

Эффективность теплообменника при противотоке (вспомогательная  функция  для расчёта параметров при противотоке):

Максимальный  температурный напор:

δТ’=Т₁^’-Т₂^’=150-90=60 ºC;

Относительные параметры для расчета ε₁ и ε₂:

ω₁=W₁/W₂=9809,71/3333,34=2,9429;

ω₂=W₂/W₁=3333,34/9809,71=0,3397;

f_φ=0,39 – коэффициент, зависящий от схемы тока теплоносителей подбираем по таблице №7 стр.80 (Харак-ка f_φ …) [6,7];

Поправка на греющий теплоноситель:

Поправка на нагреваемый теплоноситель:

;

Конечная температура  греющего теплоносителя:

˚С;

Конечная температура  нагреваемой среды:

 ˚С;

Тепловая мощность теплообменника при противотоке  с учетом запаса по площади в 10,3%:

 

 

4.3.Гидравлический расчет.

начальные данные:

Критерий Рейнольдса для греющей жидкости: Re₁ = 25375,33;

Критерий Рейнольдса для нагреваемой жидкости: Re₂ = 197116,7;

Усреднённое значение скорости греющей жидкости: ω₁ = 0,091 м/с;

Усреднённое значение скорости нагреваемой жидкости: ω₂ = 2,914 м/с;

Средняя плотность  греющей жидкости: ρ₁ = 922,91 кг/м³;

Средняя плотность  нагреваемой жидкости: ρ₂ = 954,78 кг/м³;

Длина межтрубного  пространства: l = 1,4 м;

Эквивалентный диаметр межтрубного пространства: d = 0,0578 м;

Число трубок в  межтрубном пространстве: n_ox = 18 трубок;

Общая длина  трубок:

L = 25,2 м; - с учётом запаса по поверхности в 10,3%;

Диаметр трубок: d_вн = 0,019 м ;

 

Результаты  расчёта:

межтрубное  пространство:

Сопротивление трения при безотрывном течении  капельной жидкости в межтрубном пространстве для греющего теплоносителя:

где ξ = (1,82 lg Re – 1,64)^-2 =(1,82 lg 25375,33 – 1,64)^-2 =0,024598 – коэффициент сопротивления канала  при Re=3*10³÷1*10⁸  при изотермическом течении;

Местное сопротивление (повороты, сужения и расширения каналов, вентили, задвижки, решетки, трубные  пучки и т. д.) для тракта межтрубного пространства:

где ζ=Σξ =7,278, ξ_входа = 1,5; ξ_выхода = 1,5; ξ_межтр = (3*n_ox)/Re^0,25 = (3*18)/25975,33^0,25=4,278 – местные сопротивления входа, выхода, трубного пучка соответственно;

Общие потери давления:

Полное гидравлическое сопротивление контура вход –  выход:

где η_н= 0,97; η_э= 0,97 – кпд нагнетателя и электродвигателя соответственно, β = 1,15 – коэффициент запаса;

трубное пространство:

Сопротивление трения при безотрывном течении капельной жидкости в трубном пространстве для нагреваемого элемента:

где ξ = (1,82 lg Re₂ – 1,64)^-2 =(1,82 lg 197116 – 1,64)^-2 = 0,015639 – коэффициент сопротивления канала  при Re=3*10³÷1*10⁸  при изотермическом течении;

Местное сопротивление (повороты, сужения и расширения каналов, вентили, задвижки, решетки, трубные  пучки и т. д.) для тракта межтрубного  пространства:

где ζ=Σξ , ξ_входа = 1,5; ξ_выхода = 1,5; ξ_КОЛЕН = 2 – местные сопротивления входа, выхода, колена соответственно; колен всего 17;

Общие потери давления:

Полное гидравлическое сопротивление контура вход –  выход:

                                      5.  ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ

На предприятиях к теплообменным аппаратам предъявляются требования безопасности и удобства обслуживания. Аппарат должен быть рассчитан и сооружен с надлежащим запасом прочности, снабжен оградительными устройствами для движущихся частей, предохранительными клапанами, автоматическими выключателями и другими приспособлениями для предотвращения взрывов и аварий.

При получении  теплообменного аппарата с предприятия-изготовителя, перед вводом его в эксплуатацию необходимо произвести осмотр, проверку комплектности.

В процессе работы необходимо следить за надежной фиксацией оборудования. Ослабление фиксации механизмов может привести к поломке механизмов и оборудования.

При монтаже  установки в цехе её опоры необходимо крепить болтами к фундаменту. Вывинчивание опор с целью регулировки высоты машины более 20 мм не допускается.

Для удобства обслуживания управление аппаратом должно производиться из одного пункта, где установлен пульт управления. Это особенно легко осуществить, если организованы дистанционный контроль и дистанционное управление аппаратом. Высшей формой является полная автоматизация контроля и управления. Управление аппаратом не должно требовать значительных физических усилий от обслуживающего персонала.

При построении аппарата необходимо обратить внимание на то, чтобы трудовой процесс обслуживающего персонала был приспособлен к его психическим и физическим возможностям. Это должно обеспечивать максимальную эффективность труда и устранить возможную угрозу для здоровья.

 

 

 

 

СПИСОК  ИСПОЛЬЗОВАННОЙ  ЛИТЕРАТУРЫ

 

1. Бохан В.Н., Калинин Г.Ф., Ершов А.М., Мартышевский В.И., Глазунов Е.А. Проектирование процессов и аппаратов рыбообрабатывающих производств. Учебное пособие. – Мурманск. 1992. – 221 с.: ил. – (МГАРФ).
2. Бохан В.Н., Калинин Ю.Ф. Теплофизические характеристики пищевых продуктов. Методические указания к курсовому и дипломному проектированию для курсантов и студентов заочной формы обучения по спец. 2709. – Мурманск. 1989. – 74 с. – (МВИМУ).

3. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А.  Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Учебное пособие для вузов. / под ред. П.Г.Романкова. 10-е изд., перераб. и доп. – Л.: Химия. 1987. – 576 с.
4. Чупахин В.М., Дорменко В.В. Технологическое оборудование рыбообрабатывающих предприятий. – М.: Пищевая промышленность. 1964. – 568 с.
5. Стабников В.Н., Попов В.Д., Лысянский В.М. Процессы и аппараты пищевых производств. – М.: Пищевая промышленность. 1976 – 664 с.
6. Лунин О.Г., Вельтищев В.Н. Теплообменные аппараты пищевых производств. Учебное пособие для вузов. – М.: Агропромиздат. 1987. – 239 с.