Блок-схема расчета кожухотрубчатого теплообменника.

Расчет тепловой нагрузки

Расчет теплового баланса

Определение температурного

режима и t_ср.лог.

Приближенная оценка

, К_ор, F_ор

Выбор типа и нормализованного варианта

конструкции; определение параметров

конструкции: n, d, H, D, z, F_норм и др.

Уточненный расчет

, К, F_расч.

Сопоставление

F_расч. c F_норм.

Гидравлический расчет

Технико-экономический расчет

Выбор оптимального варианта

4. Тепловой расчет кожухотрубчатого теплообменника

Тепловой расчет кожухотрубчатого теплообменника проводят последовательно в соответствии с общей блок-схемой, приведенной выше.

1.Определение тепловой нагрузки:

Q=G₁c₁(t_1н–t_1к), Вт

где G₁– количество горячего раствора;

c₁– теплоемкость горячего раствора при его средней

температуре t₁;

t_1н– начальная температура горячего раствора;

t_1к– конечная температура горячего раствора;

2.Определение конечной температуры холодного раствора из уравнения теплового баланса:

t_2к= t_2н+Q/(G₂c₂) ,⁰C

где t_2н– начальная температура холодного раствора;

G₂– количество холодного раствора;

c₂ – теплоемкость холодного раствора при его средней

температуре t₂;

3.Определение средне логарифмической разности температур:

t_ср.лог = [(t_1н – t_1к) – (t_1к – t_2н)]/ln [(t_1н – t_1k) / (t_1k – t_2н)] , ⁰С .

4.Ориентировочный выбор теплообменника.

Решение вопроса о том, какой теплоноситель направить в трубное пространство, обусловлено его температурой, давлением, коррозионной активностью, способностью загрязнять поверхности теплообмена, расходом и др. Целесообразно направлять теплоноситель с меньшим расходом в трубное пространство с меньшим проходным сечением. Это позволит выровнять скорости движения теплоносителей и соответствующие коэффициенты теплоотдачи, увеличивая, таким образом, коэффициент теплопередачи.

При направлении потока холодной жидкости в межтрубное пространство, можно отказаться от теплоизоляции кожуха теплообменника.

Надо принять ориентировочные значение числа Рейнольдса Re для теплоносителя, протекающего в трубах (например, Re=15000, что соответствует развитому турбулентному режиму течения в трубах.) Теперь подсчитаем число труб, приходящееся на один ход:

,

где G, Re берутся для теплоносителя, движущегося по трубам.

После этого надо принять ориентировочное значение коэффициента теплопередачи (например, К_ор= 800Вт/м²К, что соответствует турбулентному

Теперь можно подсчитать ориентировочное значение поверхности теплообмена по формуле:

F_ор=Q/t_ср.логК_ор , м²,

По полученному значению поверхности теплообмена из таблицы 3 выбирается диаметр кожуха D и по соотношению n/z число ходов z.

В многоходовых теплообменниках средняя движущая сила несколько меньше, чем в одноходовых, вследствие возникновения смешанного взаимного направления движения теплоносителей. Поправку для средне логарифмической разности температур определим из уравнения, имеющего вид:

_t= ,

где =;_R1 =_R1 ;

P=;R=.

Теперь целесообразно провести уточненный расчет нескольких вариантов, данные для которых берутся из таблицы 3 (D, d_н , z, n/z).

5. Уточненный расчет поверхности теплопередачи.

Re₁=

Pr₁=

0.023Re^0.8Pr^0.4(Pr/Pr_ст)^0.25 , Вт/(м²К).

Если разность температур невелика (менее t_ср=33.2 град), то поправкой (Pr/Pr_ст)^0.25 можно пренебречь.

Выберем площадь S_мтр сечения потока из таблицы 3, тогда посчитаем:

Re₂=,Pr₂=

_cт)^0.25 , Вт/(м²К).

Для обоих теплоносителей из таблицы 2 надо выбрать сопротивления загрязнений r_з1, r_з2. По коррозийной активности теплоносителей следует выбрать материал труб и найти его теплопроводность . Сумма термических сопротивлений стенки и загрязнений равна:

r_з1 + r_з2 , м²К/Вт.

Коэффициент теплопередачи будет равен:

К=1/(1/+1/+), Вт/м²К.

Требуемая поверхность составит:

F= Q/(К), м².

Из таблицы 3 из выбранного ряда находят подходящий теплообменник с определенной длиной и номинальной поверхностью. При этом запас будет равен:

(F_номин-F _расч)100/F_расч, %.

Массу М теплообменника берем из справочников.

Таким же образом проводится уточнение для других выбранных вариантов. Дальнейшее сопоставление конкурентоспособных вариантов проводят по гидравлическому сопротивлению.

5. Расчет гидравлического сопротивления кожухотрубчатых теплообменников

Гидравлический расчет проводят по формулам, приведенным ниже.

В трубном пространстве перепад давления определяют по формуле:

p_п=(l/d_э+)²/2 ,

в которой длина пути жидкости равна L_z.

Скорость жидкости в трубах равна:

_тр=4G_трz/(d²n_тр).

Коэффициент трения определяется по формулам.

При ламинарном режиме (Re<2320):

=A/Re,

где А – коэффициент, зависящий от форм сечения трубопровода.

В турбулентном потоке различают три зоны, для которых коэффициент рассчитывается по разным формулам:

для зоны гладкого трения (2320<Re<10/e)

=0.316/;

для зоны смешенного трения (10/е<Re<560/e)

=0.11(e + 68/Re)^0.25;

для зоны, автомодельной по отношению к Re (Re>560/e)

=0.11e^0.25 ,

где е=/d_э – относительная шероховатость трубы; - абсолютная шероховатость трубы (средняя высота выступов на поверхности трубы). ПриRe>2320 его можно также определить по формуле:

,

в расчетах можно принять =0.2мм.

Коэффициенты местных сопротивлений потоку, движущемуся в трубном пространстве:

_тр1=1.5 – входная и выходная камеры;

_тр2=2.5 – поворот между ходами;

_тр3=1.0 – вход в трубы и выход из них.

Местное сопротивление на входе в распределительную камеру и на выходе из нее следует рассчитывать по скорости жидкости в штуцерах. Диаметры штуцеров, нормализованных кожухотрубчатых теплообменников приведены в справочниках.

В межтрубном пространстве гидравлическое сопротивление можно рассчитать по формуле:

p_мтр=(_мтр)_мтр²_мтр/2.

Скорость жидкости межтрубном пространстве определяют по формуле:

_тр=G_мтр/(S_мтрмтр),

где S_мтр – наименьшая сечение потока в межтрубном пространстве.

Коэффициент местных сопротивлений потоку, движущемуся в межтрубном пространстве:

_мтр1=1.5 – вход и выход жидкости;

_мтр2=1.5 – поворот через сегментную перегородку;

_мтр3=3m/Re²_мтр – сопротивление пучка труб,

где Re_мтр=G_мтрd_н(S_мтрмтр); m – число рядов труб, которое приближенно можно определить следующем образом.

Общее число труб при их размещении по вершинам равносторонних треугольников равно n=1+3a+3a², где a – число огибающих труб шестиугольников (в плане трубной доски). Число труб в диагонали шестиугольника b можно определить, решив квадратное уравнение относительно a:

b=2a+1=2.

Число рядов труб, омываемых теплоносителем в межтрубном пространстве, приближенно, можно принять равным 0.5b, т.е.

m =.

Сопротивление входа и выхода следует также определять по скорости жидкости в штуцерах, диаметры условных проходов которых приведены в табл.6.

Число сегментных перегородок зависит от длины и диаметра аппарата. Для нормализованных теплообменников эти числа приведены в табл.7.

Расчетная формула для определения гидравлического сопротивления в трубном и межтрубном пространствах окончательно принимает вид:

p_тр=[2.5(z-1)+2z],

где z – число ходов по трубам;

p_мтр=1.5x,

где x – число сегментных перегородок; m – число рядов труб, преодолеваемых потоком теплоносителя в межтрубном пространстве. На этом гидравлический расчет заканчивается.

Выбор лучшего варианта теплообменника должен быть сделан на основе технико-экономического анализа.