12. Расчет кожухотрубчатого теплообменника

Рассчитать и подобрать нормализованный кожухотрубчатый теплообменник для теплообмена между двумя водно-органическими растворами. Горячий раствор в количестве G₁=6.0 кг/с охлаждается от t_1н=112.5⁰С до t_1k=40⁰С. Начальная температура холодного раствора (G₂=21.8 кг/с) равна t_2н=10⁰С. Оба раствора – коррозионно-активные жидкости с физико-химическими свойствами, близкими к свойствам воды. Горячая жидкость при средней температуре t₁=76.3⁰С имеет следующие физико-химические характеристики: =986 кг/м³; =0.662 Вт/(мК);=0.00054 Пас; с₁=4190 Дж/(кгК).

Расчет теплообменника проводят последовательно в соответствии с блок-схемой.

4. Определение тепловой нагрузки:

Q = 8.04190(112.5-40) =2430200 Вт.

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

t_2k = t_2н+Q/(G₂c₂) = 10+2430200/(234180) = 40.0⁰С,

где 4180 Дж/(кгК) -теплоемкость с₂ холодного раствора при его средней температуре t₂=30⁰C. Остальные физико-химические свойства холодной жидкости при этой температуре:

= 996 кг/м³; = 0.618 Вт/(мК);= 0.000804 Пас.

6. Определение средне логарифмической разности температур:

t_ср.лог = [(112.5-40)-(40-10)]/ln(76.3/40) = 26 град.

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. В рассматриваемом примере в трубное пространство с меньшим проходным сечением целесообразно направить теплоноситель с меньшим расходом, т.е. горячий раствор. Это позволит выровнять скорости движения теплоносителей и соответствующие коэффициенты теплоотдачи, увеличивая таким образом, коэффициент теплопередачи. Корме того, направляя поток холодной жидкости в межтрубное пространство, можно отказаться от теплоизоляции кожуха теплообменника.

Примем ориентировочное значение Re_1ор=15000, что соответствует развитому турбулентному режиму течения в трубах. Очевидно, такой режим возможен в теплообменнике, у которого число труб, приходящихся на один ход, равно:

для труб диаметром d_н=202 мм

;

для труб диаметром d_н=25мм

.

Поскольку в данном примере свойства теплоносителей мало отличаются от свойств воды, примем минимальное ориентировочное значение коэффициента теплопередачи, соответствующее турбулентному течению: К_ор= 600 Вт/(м²К). При этом ориентировочное значение поверхности теплообмена составит:

F_ор = 2430200/(26600) = 156 м².

Как видно из таблицы 3, теплообменники с близкой поверхностью имеют диаметр кожуха 1000 мм.

В многоходовых теплообменниках средняя движущая сила несколько меньше, чем в одноходовых, вследствие возникновения смешанного взаимного направления движения теплоносителей. Определим поправку для средне логарифмической разности температур:

Р=;R=;

; (2.89-1)/ln;

;

260.85=22.26 град.

С учетом поправки ориентировочная поверхность составит:

F_ор=2430200/(22.26600)=182 м².

Теперь целесообразно провести уточненный расчет следующих вариантов (см. табл. 3):

1К: D = 1000 мм; d_н = 202 мм;z = 6; n/z = 1044/6 = 174; F = 197 м²;

2K: D = 1000 мм; d_н = 202 мм;z = 4; n/z = 1072/4 = 268; F = 202 м²;

2K: D = 1000 мм; d_н = 202 мм;z = 2; n/z = 1138/2 = 569; F = 214 м².

5. Уточненный расчет поверхности теплопередачи.

Вариант 1К:

Re₁=;

Pr₁=

Коэффициент теплоотдачи к жидкости, движущейся по трубам турбулентно равен:

Вт/(м²К).

Поправкой (Pr/Pr_ст)^0.25 здесь можно пренебречь, так как разность температур t₁ и t_ст1 невелика (менее t_ср=22.26 град).

Площадь сечения потока в межтрубном пространстве между перегородками (таблица 3) S_мтр=0.115 м²; тогда

Re₂ = 230.016/(0.1150.000804) = 3980;

Pr₂ = 41800.000804/0.618 = 5.45.

Коэффициент теплоотдачи к жидкости, движущейся в межтрубном пространстве, составит:

= (0.618/0.016)0.24(3980)^0.6(5.45)^0.25 = 2047.09 Вт/(м²К).

Оба теплоносителя – мало концентрированные водные растворы; поэтому в соответствии с таблицей 2 примем термические сопротивления загрязнений одинаковыми, равными r_з1=r_з2=1/2900 м²К/Вт. Повышенная коррозионная активность этих жидкостей диктует выбор нержавеющей стали в качестве материала труб. Теплопроводность нержавеющей стали, примем равной =17.5 Вт/(мК). Сумма термических сопротивлений стенки и загрязнений равна:

= 0.002/17.5+1/2900+1/2900 = 0.000804 Вт/(м²К).

Коэффициент теплопередачи равен:

К = 1/(1/1806.72+1/2047.09+0.000804) = 541.73 Вт/(м²К).

Требуемая поверхность составит:

F = 2430200/(22.26 541.73) = 202 м².

Из таблицы 3[1] следует, что из выбранного ряда подходит теплообменник с трубами длиной 3.0 м и номинальной поверхностью F_1к=182 м². При этом запас равен:

= (202-182) 100/202 = 10 %.

Масса теплообменника М_1к = 5450 кг (берется из справочников).

Вариант 2К: Аналогичный расчет типового варианта дает следующие результаты: Re₁ = 4401, = 1279 Вт/(м²К), Re₂ = 3980, = 2047 Вт/(м²К), К = 482 Вт/(м²К), F = 227 м². Из таблицы 3[1] следует, что теплообменник длиной 3.0 м имеет большой запас поверхности (= 20 %), поэтому для данной задачи не пригоден. Следует рассмотреть вариант 3К.

Вариант 3К: Еще один расчет типового варианта дает следующие результаты: Re₁ = 2073, = 700 Вт/(м²К), Re₂ = 3980, = 2047 Вт/(м²К), К= 368 Вт/(м²К), F = 297 м². Из таблицы 3[1] следует, что теплообменник длиной 3.0 м имеет слишком большой запас поверхности (= 39 %), поэтому для данной задачи не пригоден.

Вариант 1К выгодно отличается от двух других типовых вариантов.

5. Расчет гидравлического сопротивления.

Сопоставим три выбранных варианта кожухотрубчатых теплообменников по гидравлическому сопротивлению.

Вариант 1К: Скорость жидкости в трубах:

=м/с.

Коэффициент трения:

Диаметр штуцеров в распределительной камере d_тр.ш=0.150 м; скорость в штуцерах:

=48/(3,140.15²986)=0.46 м/с.

В трубном пространстве следующие местные сопротивления: вход в камеру и выход из нее, три поворота 180⁰, четыре входа в трубы и четыре выхода из них.

Гидравлическое сопротивление трубного пространства равно:

р_тр=0.04

+3Па.

Число рядов труб, омываемых потоком в межтрубном пространстве, m; округляя в большую сторону m=19. Число сегментных перегородок х=18. Диаметр штуцеров к кожуху d_мтр.ш=0.200 м, скорость потока в штуцерах:

=м/с.

Скорость жидкости в наиболее узком сечении межтрубного пространства площадью S_мтр=0.074 м² (таблица 3) равна:

=23/(0.115 996)=0.20 м/с.

Сопротивление межтрубного пространства равно:

р_мтр=Па.

Вариант 2К: Аналогичный расчет дает следующие результаты: = 0.07 м/с;= 0.04;= 0.46 м/с;р_тр = 368.67 Па; = 0.2 м/с;= 0.74 м/с;m = 19; x =18; р_мтр = 856.58 Па.

Вариант 3К: Аналогичный расчет дает следующие результаты: =0.07 м/с;= 0.05;= 0.46 м/с;р_тр = 373.57 Па; = 0.2 м/с;= 0.74 м/с;m = 19; x = 18; р_мтр = 849.15 Па.

Выбор лучшего из них должен быть сделан на основе технико-экономического анализа.

Fтр	K
202	541,73
227	482,07
297	367,57