7.1.3. Курсовая работа №3 Тепловой расчёт кожухотрубчатого теплообменника

Задание. Произвести тепловой расчет вертикального кожухотрубчатого теплообменника для конденсации насыщенного пара бензола с расходом G_б=1000кг/час при атмосферном давлении.

Жидкий бензол отводится при температуре конденсации насыщенных паров. Охлаждающий агент - вода с начальной температурой – t_в¹=22⁰С и конечной –t_в¹¹=32⁰C. Термическое сопротивление поверхности теплообмена со стороны бензола – 0,0001м²час*К/ккал, а со стороны воды - 0,0007м²*час*К/ккал. Бензол в кожухотрубчатом теплообменнике конденсируется в межтрубном пространстве. Стальные трубки теплообменника имеют наружный диаметр d_н=25мм и внутренний –d_вн=21мм. Температура кипения бензола при атмосферном давлении t_к=80,1⁰С, а скрытая теплота парообразования бензола – r=94,5ккал/кг.

Решение.

1. Определяем основные параметры кожухотрубчатого теплообменника.

Больший температурный напор ∆t_б = t_к - t_в¹ = 80,1-22 = 58,1⁰С

Меньший температурный напор ∆t_м = t_к - t_в¹¹ = 80,1-32 = 48,1⁰С

Среднелогарифмический напор

∆t=(∆t_б - ∆t_м)/ℓn(∆t_б/∆t_м) = (58,1-48,1)/ℓп(58,1/48,1)=52,9⁰С

Средняя температура охлаждающей воды

t_в = t_к - ∆t=80,1 - 52,9 = 27,2⁰С

Тепловая нагрузка (теплопроизводительность)

Q=G_бr =1000*94,5=94500ккал/час=94500*427*9,81/3600 = 109958Вт ≈ 110кВт

Здесь:

r = 94,5ккал/кг - скрытая теплота парообразования бензола при атмосферном давлении;

G_б = 1000кг/час – массовый расход бензола (задано).

Массовый расход охлаждающей воды

G_в =Q/c_р(t_в¹¹-t_в¹) =94500/(1*(32-22)) = 9450кг/час.

Здесь с_р= 1ккал/кг*К – теплоёмкость воды при средней температуре t_в=27,2⁰С.

2. Тепловой расчет кожухотрубчатого теплообменника.

2.1. Выбор типа теплообменника.

Из всех приведенных в таблице №7 (Приложение) четырехходовых теплообменников (рис.4, Приложение) наименьшее количество трубок имеет один теплообменник, у которого общее число трубок равно n=100 и, следовательно, число трубок в одном ходе равно 25.

Выбираем для расчета именно такой теплообменник, т.к. у него наибольшая скорость воды в трубках, наибольшее число Рейнольдса и, следовательно, наибольший коэффициент теплоотдачи к воде.

Диаметр корпуса этого теплообменника равен D=400мм.

2.2. Расчет коэффициента теплоотдачи от бензола к трубкам.

Для проведения теплового расчета необходимо рассчитать коэффициент теплоотдачи при конденсации паров бензола на вертикальных трубках. Это можно сделать по зависимости [1]

альфа_к = 1,15⁴√r*ρ²λ³3600/(μ∆t_бН),

где:

r = 94,5ккал/кг – скрытая теплота парообразования бензола при атмосферном давлении;

ρ – плотность бензола при средней температуре пленки бензола;

λ – коэффициент теплопроводности бензола при средней температуре пленки;

μ – динамический коэффициент вязкости бензола при средней температуре пленки;

t_бср = (t_к + t_ст.1)/2 – средняя температура пленки бензола.

∆t_б = t_к-t_ст.1-температурный напор между конденсирующимся паром бензола и наружной поверхностью стенки трубки t_ст.1;

Н - высота трубок (Н=1000мм, таблица №7).

Видно, что для расчета коэффициента теплоотдачи необходимо определить температуру стенки t_ст.1.. Поэтому, расчет проводим последовательными приближениями, задаваясь значениями t_ст.1.

Проведем два расчета:

Первый – при t_ст.1¹ = 60⁰С;

Второй – при t_ст.1¹¹ = 50⁰С

Тогда в первом расчете

∆t¹ = t_к-t_ст.1¹ = 80,1-60 = 20,1⁰С

и во втором

∆t¹¹ = t_к-t_ст.1¹¹ = 80,1 -50=30,1⁰С

В этих зависимостях верхние индексы обозначают номер расчёта.

Физические параметры бензола в первом и втором расчетах приведены в таблице №8, Приложение №2:

Параметр бензола	Первый расчет	Второй расчет
Средняя температура пленки бензола t = (tк+tст.1)	(80,1+60)/2 ≈ 700C	(80,1+60)/2 ≈ 700C
Плотность пленки бензола	825кг/м3	829кг/м3
Коэффициент теплопроводности пленки бензола	0,114ккал/м*час*К	0,115ккал/м*час*К
Динамический коэффициент вязкости пленки бензола	0,354сП (сантипуаз)	0,372сП (сантипуаз)
	1сП=1,02*10-4кг*с/м2технической системы единиц [3]

Коэффициент теплоотдачи от конденсирующихся паров бензола

В первом расчете (при t_ст.1¹ = 60⁰С)

альфа_к¹ = 1,15⁴√(94,5*825²*0,114³*3600)/(0,354*1,02*10^-4*20,1*1) = 953,5ккал/м^2.часК

Во втором расчете (при t_ст.1¹¹ = 50⁰С)

альфа_к¹¹= 1,15⁴√(94,5*829²*0,115³*3600)/(0,372*1,02*10^-4*30,1*1) =

= 859ккал/м^2.часК

2.3. Расчет коэффициента теплоотдачи от воды к стенке трубки.

Предварительно определяем режим течения воды в трубках.

Число Рейнольдса

Re= W_вd_вн/ν,

где:

W_в– скорость воды в трубках;

d_вн – внутренний диаметр трубок;

ν = 0,845*10^-6м^2./с кинематический коэффициент вязкости воды при средней температуре 27,2⁰С (таблица №1, Приложение).

W_в=G_в/(n*(πd²_вн/4)ρ)=4*9450/(25π0,021²*1000*3600) = 0,303м/c,

где:

n = 25 – число трубок в одном ходе теплообменника;

ρ = 1000кг/м³ - плотность воды;

d_вн = 0,021м - внутренний диаметр трубок.

Тогда, число Рейнольдса равно

Re=W_вd_вн/ν=0,303*0,021/0,845*10^-6=7530

Режим течения воды турбулентный и поэтому коэффициент теплоотдачи от воды можно определить по зависимости [4]

Nu=0,021 Re^0,8*Рr^0,43(Рr/Рr_ст)^0,25

или же по видоизменённой упрощенной зависимости, позволяющей произвести расчет коэффициента теплоотдачи от воды по зависимости [1]

альфа_в= А₅W^0,8_в/d_вн^0,2.

В этих зависимостях

альфа_в – коэффициент теплоотдачи от воды к трубке;

Nu=альфа_в d_вн/λ- критерий Нуссельта;

Рr= μc_р/λ - критерий Прандтля (учитывает физические свойства теплоносителя) при средней температуре теплоносителя;

Рr_ст - критерий Прандтля при температуре теплоносителя равной температуре стенки ;

-λ - коэффициент теплопроводности воды;

ρ - плотность воды;

с_р - теплоёмкость воды.

Физические параметры теплоносителя –воды берутся при его средней температуре –t_в = 27,2⁰С

А₅ = 1863(таблица№3, Приложение).

Тогда, коэффициент теплоотдачи от воды к трубке

альфа_в= А₅W^0,8_в/d_вн^0,2. = 1863*0,303^0,8/0,021^0,2 =

=1552ккал/м²часК = 1806Вт/м²К

2.4.Учтем в расчете также и термическое сопротивление стенки трубок, а также термическое сопротивление загрязнений со стороны бензола и со стороны воды.

R= R_загр.б+R_ст+R_загр.в.

Термическое сопротивление стальной трубки толщиной 2мм при коэффициенте теплопроводности стали λ = 40ккал/м*час*К равно:

R_ст= δ/ λ=0,002/40 = 0,00005м^2.часК/ккал,

а сумма термических сопротивлений загрязнений со стороны бензола, со стороны воды и термосопротивления стенки равна

R=R_загр.б+R_ст+R_загр.в.=0,0001+0,00005+0,0007=0,00085м²часК/ккал

2.6. Рассчитаем удельные тепловые потоки от бензола к стенке со стороны бензола и от стенки трубки со стороны бензола к воде в обоих вариантах расчета кожухотрубчатого теплообменника.

q₁=альфа_к*(t_к-t_cт.1) – мощность удельного теплового потока от бензола к стенке трубки.

В первом расчёте

q₁¹ = 953,5*(80,1-60) = 953,*20,1 = 19165ккал/м²час

Во втором расчёте

q₁¹¹=859*(80,1-50) = 25856ккал/м²час

q₂¹= (t_cт.1—t_в)/(R + 1/альфа_в) – мощность удельного теплового потока от стенки трубки к воде. В этом уравнении (R + 1/альфа_в) = 0,001494м²часК/ккал – термическое сопротивление от наружной стенки трубки к воде, движущейся внутри трубки.

В первом расчёте

q₂¹ = (60-27,2)/(0,00085+1/1552) = 21954ккал/м²час

Во втором расчёте

q₂¹¹ = (50-27,2)/(0,00085+1/1552) = 15261ккал/м²час

Итак, имеем

	tст.1,0C	q1, ккал/м2час	q2, ккал/м2час
Первый расчёт	60	19165	21954
Второй расчёт	50	25856	15261

Для обеспечения теплового баланса мощность удельного теплового потока от бензола должна быть равна мощности удельного теплового потока от трубки к воде.

Используем полученные расчетные данные для записи мощности удельных тепловых потоков в виде линейных зависимостей от температуры.

q₁=а₁+в₁t_ст.1;

19165 = а₁+в₁*60 Из системы уравнений получим а₁ = 59311; в₁ = -669,1

25856 = а₁+в₁*50

q₁ = 59311-669,1*t_ст1 – Уравнение для мощности удельного теплового потока от бензола (1)

q₂= а₂+в₂*t_ст1;

21954=а₂+в₂*60 Из системы уравнений получим а₂=18204; в₂=669,3

15261=а₂+в₂*50

q₂=-18204+669,3*t_ст.1 - Уравнение для мощности удельного теплового потока от стенки к воде (2)

Решаем совместно 1 и 2, полагая q₁=q₂, и получаем

59311-669,1t_ст.1=- 18204 +669,3t_ст.1

t_ст.1=57,9⁰С

3. Проводим проверочный тепловой расчет кожухотрубчатого теплообменника при температуре наружной поверхности стенки трубки t_ст.1=57,9⁰С