3. Расчетная часть

3.1. Тепловой расчет

Расчет теплообменника проводят последовательно.

1. Определение тепловой нагрузки

Q= G₁c₁ (t_1к - t_1н)

Q= 10*4500*(40-20) = 900000 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

Плотность , кг/м3	983,24
Теплопроводность , Вт/м*К	0,66291
Динамический коэфф. вязкости , Па*с	0,4688*10-3
Теплоемкость с1, Дж/кг*К	4178,2

2. Определение разности температур:

3. Ориентировочный выбор теплообменника. :

Решение вопроса о том, какой теплоноситель направить в трубное пространство, обусловлено его температурой, давлением, коррозионной активностью, способностью загрязнять поверхности теплообмена, расходом.

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

Для труб диаметром d_н=20х2 мм

Для труб диаметром d_н=25х2 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 600 мм и числом ходов 1, 2 или 6.

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	600	400	400
d, мм	25х2	20х2	25х2
z	2	2	2

4. Уточненный расчет поверхности теплопередачи.

Вариант 1

а) трубное пространство:

(3.1)

Так как Re<10000 режим является турбулентным. По номограмме из [3] ищем критерий Прандтля:

=3,1

Коэффициент теплоотдачи к жидкости, движущейся по трубам:

Вт/(м²*К)

б) межтрубное пространство:

Площадь сечения потока в межтрубном пространстве между перегородками (табл.2.3, [2]) S_мтр=0,04 м².

(3.6)

(3.7)

При движении теплоносителя в межтрубном пространстве кожухотрубчатых теплообменников с сегментными перегородками и Re>1000, коэффициент теплоотдачи к жидкости определяется следующим образом:

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 3,0 м и номинальной поверхностью F_1В=57,0 м². При этом запас:

%

Данный теплообменник с длиной труб 3,0 м имеет недостаточный запас поверхности, так как <10%.

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

Вариант 2

а) трубное пространство:

(3.1)

Так как Re<10000 режим является турбулентным. По номограмме из [2] ищем критерий Прандтля:

=3,1

Коэффициент теплоотдачи к жидкости, движущейся по трубам:

Вт/(м²*К)

б) межтрубное пространство:

Площадь сечения потока в межтрубном пространстве между перегородками (табл.2.3, [2]) S_мтр=0,048 м².

(3.6)

(3.7)

При движении теплоносителя в межтрубном пространстве кожухотрубчатых теплообменников с сегментными перегородками и Re>1000, коэффициент теплоотдачи к жидкости определяется следующим образом:

Вт/(м²*К)

(*)-(*)

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 3,0 м и номинальной поверхностью F_2В=60,0 м². При этом запас:

%

Данный теплообменник с длиной труб 3,0 м имеет достаточный запас поверхности, так как >10%.

Масса теплообменника из табл. 2.8 [2] М_2В=2100 кг.

Вариант 3

а) трубное пространство:

(3.1)

Режим переходный. Для такого случая пользуемся графиком из [2] для нахождения критерия Нуссельта:

В наших расчётах пренебрегаем:

Nu=17,5* =17,5* =28,47

Коэффициент теплоотдачи к жидкости, движущейся по трубам:

Вт/(м²*К)

б) межтрубное пространство:

Площадь сечения потока в межтрубном пространстве между перегородками (табл.2.3, [2]) S_мтр=0,053 м².

(3.6)

(3.7)

При движении теплоносителя в межтрубном пространстве кожухотрубчатых теплообменников с сегментными перегородками и Re>1000, коэффициент теплоотдачи к жидкости определяется следующим образом:

Вт/(м²*К)

(*)-(*)

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 4,0 м и номинальной поверхностью F_3В=81,0 м². При этом запас:

%

Данный теплообменник с длиной труб 4,0 м имеет недостаточный запас поверхности, так как <10%.

Масса теплообменника из табл. 2.8 [2] М_3В=2410 кг.