3. Расчетная часть

3.1. Тепловой расчет

Расчет теплообменника проводят последовательно.

1. Определение тепловой нагрузки:

Q= G₁c₁ (t_1к - t_1н)

Q= 3*4300*(35-15) = 258000 Дж

Определение расхода горячего теплоносителя:

G₁c₁ (t_1к - t_1н) = G₂c₂ (t_2н – t_2к)

, кг/ с

Зная начальную и конечную температуры горячего теплоносителя, найдем необходимые для дальнейшего расчета данные.

Таблица 2

температура t2н, 0С	50
температура t2н, 0С	40
плотность- , кг/м3	1000
теплопроводность- , Вт/м*К	0,64
вязкость- , Па*с	0,65*10-3
теплоемкость- с1, Дж/кг*К	4200

2. Определение разности температур [2]:

Так как отношение меньше 2, среднюю разность температур можно приближенно определить как среднеарифметическую между ними:

3. Ориентировочный выбор теплообменника [2].

Решение вопроса о том, какой теплоноситель направить в трубное пространство, обусловлено его температурой, давлением, коррозионной активностью, способностью загрязнять поверхности теплообмена, расходом … В данном варианте в трубное пространство с меньшим проходным сечением целесообразно направить теплоноситель с меньшим расходом, т.е. нагреваемый раствор, а в межтрубное пространство горячую воду.

Примем ориентировочное значение Re_1ор=15000, что соответствует развитому турбулентному режиму течения в трубах.

Для труб диаметром d_н=20х2 мм

Так как теплоносителем является вода, то минимальное ориентировочное значение коэффициента теплоотдачи, соответствующее турбулентному течению [2, табл.2.1]: К_ор=800 Вт/(м²* К).

Ориентировочное значение поверхности теплообмена составит:

м²

Из табл.2.3 [2] теплообменники с близкой поверхностью имеют диаметр кожуха 400 мм и числом ходов 1 или 2.

В многоходовых теплообменниках средняя движущая сила несколько меньше, чем в одноходовых, вследствие возникновения смешанного взаимного направления движения теплоносителей, поэтому необходимо внести поправку.

Поправку определим следующим образом [3]. Примем температуру t_2н=Т₂, t_1н=Т_1, t_1н=t₂, t_1н=t₁.

Разность температур в многоходовом теплообменнике:

Вычислим среднюю разность температур для противотока:

Найдем величины P и R:

По рисунку VIII [3] определим .

Следовательно, среднюю разность температур для противотока:

С учетом поправки ориентировочная поверхность составит:

м²

Теперь проведем уточненный расчет следующих вариантов:

Таблица 3

	Вариант 1	Вариант 2	Вариант 3
D, мм	400	400	400
d, мм	20х2	20х2	25х2
z	2	2	2

4. Уточненный расчет поверхности теплопередачи.

Вариант 1

(3.1)

(3.2)

Так как Re<2300 режим является ламинарным. Тогда необходимо подсчитать значение критерия Грасгофа Gr:

(3.3)

Так как Gr₁*Pr₁=437579*6.3=2,8*10⁶ > 5*10⁵, а значит, критерий Нуссельта необходимо определить следующим образом:

(3.4)

По рисунку XIII [3] определим Pr_ст=5.

Коэффициент теплоотдачи к жидкости, движущейся по трубам:

(3.5)

Вт/(м²*К)

Площадь сечения потока в межтрубном пространстве между перегородками (табл.2.3, [2]) S_мтр=0,025 м².

(3.6)

(3.7)

При движении теплоносителя в межтрубном пространстве кожухотрубчатых теплообменников с сегментными перегородками и Re>1000, то критерий Нуссельта определяется следующим образом:

(3.8)

(3.9)

Вт/(м²*К)

Оба теплоносителя являются малоконцентрированными водными растворами, поэтому в соответствии с табл. 2.2 [2] примем термические сопротивления загрязнений одинаковыми, равными r_з1= r_з2=1/2900 м²* К/ Вт. Повышенная коррозионная активность этих жидкостей диктует выбор нержавеющей стали в качестве материала труб. Теплопроводность нержавеющей стали примем равной Вт / (м*К). Сумма термических сопротивлений стенки и загрязнений равна:

м²*К/Вт

Коэффициент теплопередачи:

(3.10)

Вт/(м²*К)

Требуемая поверхность составит:

(3.11)

м²

Из табл 2.3 [2] следует, что из выбранного ряда подходит теплообменник с трубами длиной 6,0 м и номинальной поверхностью F_1В=68,0 м². При этом запас:

%

Теплообменник длиной 6,0 м имеет достаточный запас поверхности, так как <10%.

Масса теплообменника из табл. 2.8 [2] М_1В=1850 кг.

Вариант 2

Аналогично рассчитываем следующий вариант.

По формулам 3.1, 3.2 и 3.3 находим:

Так как Gr₁*Pr₁=437579*6.3=2,8*10⁶ > 5*10⁵, а значит, критерий Нуссельта необходимо определить по формуле 3.4:

Коэффициент теплоотдачи к жидкости, движущейся по трубам по формуле 3.5:

Вт/(м²*К)

Площадь сечения потока в межтрубном пространстве между перегородками (табл.2.3, [2]) S_мтр=0,030 м².

По формулам 3.6 и 3.7 находим:

При движении теплоносителя в межтрубном пространстве кожухотрубчатых теплообменников с сегментными перегородками и Re>1000, то критерий Нуссельта определяется по формуле 3.8:

По формуле 3.9 находим:

Вт/(м²*К)

Оба теплоносителя являются малоконцентрированными водными растворами, поэтому в соответствии с табл. 2.2 [2] примем термические сопротивления загрязнений одинаковыми, равными r_з1= r_з2=1/2900 м²* К/ Вт. Повышенная коррозионная активность этих жидкостей диктует выбор нержавеющей стали в качестве материала труб. Теплопроводность нержавеющей стали примем равной Вт / (м*К). Сумма термических сопротивлений стенки и загрязнений равна:

м²*К/Вт

Коэффициент теплопередачи находим по формуле 3.10:

Вт/(м²*К)

Требуемая поверхность находится по формуле 3.11:

м²

Из табл 2.3 [2] следует, что из выбранного ряда подходит теплообменник с трубами длиной 6,0 м и номинальной поверхностью F_1В=63,0 м². При этом запас:

%

Теплообменник длиной 6,0 м имеет достаточный запас поверхности, так как <10%.

Масса теплообменника из табл. 2.8 [2] М_1В=1890 кг.

Вариант 3

Аналогично рассчитываем следующий вариант.

По формулам 3.1, 3.2 и 3.3 находим:

Так как Gr₁*Pr₁=989361*6.3=6,2*10⁶ > 5*10⁵, а значит, критерий Нуссельта необходимо определить по формуле 3.4:

Коэффициент теплоотдачи к жидкости, движущейся по трубам по формуле 3.5:

Вт/(м²*К)

Площадь сечения потока в межтрубном пространстве между перегородками (табл.2.3, [2]) S_мтр=0,025 м².

По формулам 3.6 и 3.7 находим:

При движении теплоносителя в межтрубном пространстве кожухотрубчатых теплообменников с сегментными перегородками и Re>1000, то критерий Нуссельта определяется по формуле 3.8:

По формуле 3.9 находим:

Вт/(м²*К)

Оба теплоносителя являются малоконцентрированными водными растворами, поэтому в соответствии с табл. 2.2 [2] примем термические сопротивления загрязнений одинаковыми, равными r_з1= r_з2=1/2900 м²* К/ Вт. Повышенная коррозионная активность этих жидкостей диктует выбор нержавеющей стали в качестве материала труб. Теплопроводность нержавеющей стали примем равной Вт / (м*К). Сумма термических сопротивлений стенки и загрязнений равна:

м²*К/Вт

Коэффициент теплопередачи находим по формуле 3.10:

Вт/(м²*К)

Требуемая поверхность находится по формуле 3.11:

м²

Из табл 2.3 [2] следует, что из выбранного ряда не подходит ни один теплообменник из-за недостатка номинальной поверхности.

3.2. Расчет гидравлического сопротивления

Гидравлический расчет проводим для вариантов 1 и 2.

Вариант 1

Скорость жидкости в трубах:

(3.12)

м/с

Величина S_тр= 0,036 м² (площадь сечения одного хода по трубам) берется из табл. 2.3 [2].

Коэффициент трения определим по формуле 3.13:

, (3.13)

где

е - относительная шероховатость труб,

- высота выступов шероховатостей (примем =0,2 мм)

Диаметр штуцеров в распределительной камере d_тр.ш=0,150 м, тогда скорость в штуцерах:

(3.14)

м/с

В трубном пространстве следующие местные сопротивления: вход в камеру и выход из нее.

Гидравлическое сопротивление трубного пространства:

, (3.15)

где z – число ходов по трубам,

L – длина труб, м.

Число рядов труб, омываемых потоком в трубном пространстве, , где n – общее число труб; округляем в большую сторону m=8. Число сегментных перегородок х=22 (табл. 2.7 [2]). Диаметр штуцеров к кожуху d_мтр.ш=0,200 м, тогда скорость потока в штуцерах:

(3.16)

м/с

Скорость жидкости в наиболее узком сечении межтрубного пространства площадью S_мтр=0,017 м² (табл. 2.3 [2]) равна:

(3.17)

м/с

В межтрубном пространстве следующие местные сопротивления: вход и выход жидкости через штуцера, 22 поворота через сегментные перегородки (по их числу х=22) и 23 сопротивления трубного пучка при его поперечном обтекании (х+1).

Сопротивление межтрубного пространства равно:

, (3.18)

где m – число рядов труб,

х – число сегментных перегородок.

Вариант 2

Аналогично рассчитываем следующий вариант.