3. Примеры расчета теплоообменников

3.1. Расчет кожухотрубчатого холодильника [6]

Рассчитать и подобрать нормализованный кожухотрубчатый теплообменник для охлаждения кубового остатка ректификационной колонны в количестве кг/с от начальной температурыС до конечной С.

Кубовый остаток – коррозионноактивная органическая жидкость, которая при средней температуре С имеет следующие физико-химические характеристики:

плотность кг/м³;

теплопроводность 0,662 Вт/(мК);

теплоемкость Дж/(кгК);

динамическая вязкость Пас;

Охлаждение осуществляется водой в режиме С и С.

Расчет теплообменника проводится последовательно в соответствии с общей блок-схемой (рис.2. 1).

Тепловая нагрузка аппарата определяется по уравнению теплового баланса (формула (2.2))

Вт.

Тогда расход охлаждающей воды составит

кг/с.

Здесь 4180 Дж/(кгК) – теплоемкость воды при ее средней температуре С.

Остальные физические характеристики воды при этой температуре (см. табл. П19):

кг/м³;

Вт/(мК);

Пас.

В теплообменнике реализуется противоточная схема движения теплоносителей, при этом большая разность температур составляет:

С,

а меньшая разность температур:

С.

Отношение данных величин:

;

поэтому значение температурного напора, развиваемого в теплообменнике должно определяться по уравнению (2.7), т.е. как среднелогарифмическая разность температур:

28,6 C.

Далее производится ориентировочный выбор теплообменника.

Решение вопроса о том, какой из теплоносителей направить в трубное пространство, определяется его давлением, коррозионной активностью, способностью загрязнять поверхности теплообмена и др. Рассматриваемый пример относится к такому случаю, когда коррозионноактивную среду – кубовый остаток – целесообразно направить в трубное пространство, а охлаждающую воду – в межтрубное.

Принимаем, что течение сред в теплообменнике турбулентное. Минимальное ориентировочное значение коэффициента теплопередачи, соответствующее данному режиму течения теплоносителей, по табл. 2.1 равно , Вт/(м²К). Тогда ориентировочное значение поверхности теплообмена составит

м².

По табл. П1 выбран теплообменник с поверхностью м², имеющий следующие конструктивные параметры:

площадь межтрубного пространства = 0,04 м²;

длина труб м;

диаметр кожуха D = 600 мм;

диаметр труб мм;

число труб n = 206;

число ходов труб z = 4,

число труб в одном ходу .

Уточняется средняя разность температур. Соответствующая поправка определяется по рис. 2.2б с помощью параметров:

;

.

.

С.

Уточненный расчет поверхности теплопередачи производится следующим образом.

Находится число Рейнольдса в трубном пространстве теплообменника

,

где мм.

.

Число Прандтля будет равно:

.

В соответствии с формулой (2.12), коэффициент теплоотдачи к жидкости, движущейся по трубам в турбулентном режиме (), равен

Вт/(м²К).

В данном случае поправкой можно пренебречь, так как разность температур иневелика (менееC).

Минимальное сечение потока в межтрубном пространстве м², поэтому число Рейнольдса, характеризующее режим течения в этой области, будет равно

,

а число Прандтля:

.

Для турбулентного режима в межтрубном пространстве (), в соответствии с формулой (2.20), коэффициент теплоотдачи к воде составит

Вт/(м²К).

Поскольку кубовый остаток – органическая жидкость, в соответствии с табл. 2.2 примем термические сопротивления загрязнений равными (м²К)/Вт. Учитывая повышенную коррозионную активность кубовой жидкости, в качестве материала труб целесообразно выбрать нержавеющую сталь. Теплопроводность нержавеющей стали Вт/(мК).

Сумма термических сопротивлений стенки и загрязнений равна:

(м²К)/Вт.

Коэффициент теплопередачи в теплообменнике определяется по уравнению (2.10)

Вт/(м²К).

Требуемая поверхность теплообмена составит

м².

Запас по поверхности теплообмена у выбранного теплообменника составляет

.

Таким образом, можно сделать вывод, что рассмотренный вариант теплообменного аппарата обеспечивает заданные условия работы по охлаждению кубового остатка с запасом по теплообменной поверхности 2,54 %.

Далее производится гидравлический расчет теплообменного аппарата.

Определяется гидравлическое сопротивление трубного пространства.

Скорость жидкости в трубах

,

где  площадь поперечного сечения одного хода труб (табл. П1), м².

м/с

Коэффициент трения рассчитывается по формуле (2.55)

Вт/(мК).

Диаметр штуцеров к распределительной камере = 0,150 м (табл. П6), поэтому скорость теплоносителя в штуцерах

м/с.

В трубном пространстве следующие местные сопротивления:

• вход в камеру и выход из неё,

• три поворота на 180;

• по четыре раза вход в трубы и выход из них.

Значения местных сопротивлений определяются по табл. 2.11.

Таким образом, гидравлические потери трубного пространства составляют по формуле (2.56)

Па.

Определяется гидравлическое сопротивление трубного пространства.

Число рядов, омываемых водой в межтрубном пространстве (формула (2.58)):

.

Это значение округляется в большую сторону:

.

Число сегментных перегородок в теплообменнике х = 18 (см. табл.П7).

Диаметр штуцеров к кожуху = 0,2 м (см. табл.П6).

Скорость воды в штуцере

м/с.

Скорость воды в наиболее узком сечении межтрубного пространства площадью м² равна

м/с.

В межтрубном пространстве следующие местные сопротивления: вход и выход жидкости через штуцера,

18 поворотов через сегментные перегородки (по их числу х = 18);

19 сопротивлений трубного пучка при его поперечном обтекании (x+1).

Коэффициенты местных сопротивлений принимаются по табл. 2.9.

Тогда гидравлические потери по межтрубному пространству теплообменника будут равны

Па.

Таким образом, гидравлические потери для выбранного нормализованного теплообменника составили: 3764 Па  в трубном пространстве; 14455 Па  в межтрубном пространстве.