Задача 1.3

В многоходовом горизонтальном кожухотрубчатом теплообменнике нагревается жидкость (10%-й раствор NaCl) от температуры = 20 С до температуры = 93 С. Расход жидкости - = 30000 кг/ч. Греющий теплоноситель – водяной насыщенный пар давлением = 3 бар. Размеры труб: наружный = 25 мм, и внутренний = 20 мм диаметры. Общее число труб – = 217 шт. Материал – черная сталь. Скорость движения жидкости – = 0,5 м/с. Коэффициент теплоотдачи от пара к стенке - = 10000 Вт/(м²К). На стенках труб со стороны жидкости отложился слой загрязнений толщиной = 0,4 мм. Потери теплоты в окружающую среду составляют 2% от теплоты, отданной паром.

Определить расход греющего пара, поверхность теплообмена, число ходов, диаметр теплообменника и длину труб. Нарисовать эскиз аппарата.

Решение

1. Расход греющего пара определим из уравнения теплового баланса выпарного аппарата:

,

где и – энтальпии водяного пара и его конденсата, Дж/кг, находим по давлению греющего пара из таблицы свойств водяного пара [1, табл. 11];

– тепловые потери (2% от теплоты, отданной паром);

– удельная теплоемкость нагреваемого раствора (10 % NaCl), определяется при его средней температуре ⁰С по формуле

Дж/кг∙К,

где =10 % – концентрация нагреваемого раствора;

– удельная теплоемкость сухой соли NaCl, Дж/кг∙К [1, табл. 3];

– удельная теплоемкость воды, Дж/кг∙К, определяем по [1, табл. 1];

,

кг/с.

2. Рассчитаем площадь поверхности теплообмена из основного кинетического уравнения теплопередачи:

,

где – коэффициент теплопередачи от пара к нагреваемой жидкости, Вт/м²·К;

– средняя разность температур между теплоносителями (движущая сила);

– тепловая нагрузка теплообменника, Вт, определим из уравнения

Вт.

Движущую силу теплопередачи рассчитаем по уравнению

,

где и – большая и меньшая разность температур между теплоносителями на концах теплообменника, ⁰С. Нарисуем график изменения температур теплоносителей вдоль поверхности теплообменника (приложение А, рисунок 1).

⁰С;

⁰С,

где – температура конденсации греющего пара давлением [1, табл. 11].

Рассчитаем значение отношения:

> 2, поэтому

⁰С.

Коэффициент теплопередачи от пара к нагреваемой жидкости рассчитаем по уравнению аддитивности термических сопротивлений:

,

где – толщина стенки труб, м:

мм = 0,0025 м,

= 45 Вт/м·К и = 2,5 Вт/м·К – коэффициенты теплопроводности материала труб (черная сталь) и слоя загрязнений [1, табл. 7].

Коэффициент теплоотдачи от стенки труб к нагреваемой жидкости рассчитаем по выражению:

,

где – критерий Нуссельта;

= 0,02 м – внутренний диаметр трубы;

, Вт/м∙К – коэффициент теплопроводности нагреваемой жидкости при ее средней температуре ⁰С. Для 10 %-го раствора NaCl рассчитываем по формуле [1, стр. 23]:

Вт/м∙К,

где – коэффициент теплопроводности воды при [1, табл. 1];

= 10% – концентрация нагреваемого раствора.

Вид формулы для расчета критерия Нуссельта зависит от режима течения жидкости по трубам, который определяется значением критерия Рейнольдса. Критерий Рейнольдса рассчитаем по формуле

,

где – кинематическая вязкость нагреваемой жидкости, м²/с при :

м²/с,

где – динамическая вязкость нагреваемой жидкости (10% раствор NaCl), МПа∙с, определяем по из [1, табл. 9].

,

>10000, поэтому режим течения жидкости в трубах – турбулентный, значение критерия Нуссельта рассчитывается по критериальному уравнению

,

где – критерий Прандтля:

,

Вт/м²·К,

Вт/м²·К,

м².

3. Рассчитаем диаметр теплообменника по формуле

м,

где – шаг труб в трубной решетке, м:

м;

– число труб по диагонали правильного шестиугольника выбираем по общему числу труб из [1, табл. 12]

4. Рассчитаем суммарную длину всех труб в теплообменнике по формуле

м,

где = при > .

Рассчитаем длину одной трубы (теплообменника):

м.

5. Рассчитаем число труб в одном ходу теплообменника по уравнению расхода:

шт.

Число ходов в теплообменнике :

хода.

Ответ. = 1,104 кг/с; = 22 м²; хода; м; м.

Эскиз четырехходового горизонтального кожухотрубчатого теплообменника приведен в приложении Б, рисунок 3.