Расчет кожухотрубчатого теплообменника

Расчет  кожухотрубчатого теплообменника

Расчет  по [33].

Необходимо  рассчитать и подобрать кожухотрубчатый  теплообменник для охлаждения и  конденсации паров аммиачной  воды выходящих из реактора периодического действия в количестве G₁ = 0,7 кг/с с начальной температурой t_1н = 50 ºC и температурой на выходе из конденсатора t_1к = 25 ºC. При температуре конденсации пары имеют следующие физико-химические характеристики: ρ₁ = 610 кг/м³; с₁ = 4731 Дж/(кг·К) λ₁ = 0,472 Вт/(м·К); μ₁ = 0,000145 Па·с; Pr₁ = с₁·μ₁/λ₁ = 1,45; удельная теплота конденсации паров r₁ = 1053000 Дж/кг.

Тепло конденсации  отводить водой с начальной температурой t_2н = 15 ºC.

Примем  температуру воды на выходе из конденсатора t_2к = 20 ºC. При средней температуре:

 ºC имеем следующие физико-химические  характеристики:

ρ₂ = 996 кг/м³; с₂ = 4180 Дж/(кг·К); λ₂ = 0,616 Вт/(м·К); μ₂ = 0,00082 Па·с; Pr₂ = с₂·μ₂/λ₂ = 5,56.

1. Рассчитаем критерий Прандтля для горячего и холодного раствора.

 

1.Определим  тепловую нагрузку по формуле:

  Вт

2. Определим  расход воды:

                            кг/с

3. Рассчитаем  среднюю разность температур:

                                                                              

 ºC

4. В соответствии  с табл. II.1 [33, с. 82] примем К_ор = 600 Вт/(м·К). Ориентировочное значение поверхности теплопередачи равно:

                                                                                             

 м²

Задаваясь числом Re₂ = 15000 определим соотношение n / z для конденсаторов из труб диаметром d = 20×2

                                                ,                                       

где n – общее число труб;

d – внутренний диаметр труб, мм.

Уточненный  расчет поверхности теплопередачи

В соответствии с табл.[33, с. 93] соотношение n / z принимаем наиболее близкое к заданному значение конденсаторов с диаметром кожуха Д = 400 мм, диаметром труб 20×2, числом труб n =181, числом ходов z =1.

Наиболее  близкую к ориентировочной поверхности  теплопередачи имеет нормализованный  аппарат с длиной труб L = 2 м, F = 23,0 м².

4.2. Уточним  значение критерия Рейнольдса:

             

                                                                      

4.3.Определим  коэффициент теплоотдачи для  паров аммиачной воды:

где m=0,8, а x=0,4

dв = 0,016м (внутренний диаметр труб)

Определим скорость течения воды в межтрубном пространстве:

Pr2 - критерий Прандтля для воды ( Pr2 = 6,12);

D - диаметр кожуха ( D = 400мм  );

n - общее число труб ( n = 181  );

dн -наружный диаметр (dн = 0,020м).

м/с

Для определения  критерия Рейнольдса для воды находим значения dэ:

Определим значение критерия Нюссельта:

где m=0,33, а n=0,6.

4.6. Найдем  коэффициент теплоотдачи от стенки  к охлаждающей воде:

В качестве материала труб используем нержавеющую  сталь. Примем К=800Вт/м²·К.

Тогда необходимая  поверхность теплообмена будет  равна:

F=Q/K·∆T,

где Q- тепловая нагрузка на аппарат (Q=737100 Вт);

∆T – средняя температура теплоносителя (∆T=14,5°С).

Из рассчитанной поверхности теплообмена мы видим, что теплообменник с диаметром  кожуха 400 мм нам подходит. Выбираем кожухотрубчатый теплообменник со следующими параметрами:

D = 400 мм;

Диаметр труб - 20×2;

Длина труб – 6,0 м;

Поверхность теплообмена – 68 м²;

Общее количество труб – 181;

Определим запас  поверхности:

Выбранный нами теплообменник имеет достаточный  запас поверхности теплообмена (»7%).

Масса теплообменника –1890

 

 

 

Расчет  гидравлического сопротивления.

Определим скорость течения паров  аммиачной воды в трубах:

где Sтр – площадь сечения одного хода по трубам

Коэффициент трения:

                                                                      

где - относительная шероховатость труб;

- высота выступов шероховатостей.

Диаметр штуцеров в распределительной  камере dтр.ш = 0,1м, скорость горячего теплоносителя в штуцерах равна:

В трубном пространстве следующие  местные гидравлические сопротивления: вход в камеру и выход из нее; вход в трубы и выход из них.

Таким образом, гидравлическое сопротивление  в трубном пространстве равно:

где z- число ходов в теплообменнике;

l- длина трубы.

Второе  слагаемое принимаем равным нулю, так как теплообменник является одноходовым, следовательно, отсутствуют сопротивления поворотов между ходами.

В межтрубном пространстве число труб, омываемых потоком равно

Округляем в большую сторону, получим  m = 8. Число сегментных перегородок равно x = 22.

Диаметр штуцеров к кожуху dмтр.ш = 0,2м, скорость потока в штуцерах равно:

Скорость жидкости в наиболее узком  месте межтрубного пространства площадью Sмтр=0,017м равна:

В межтрубном пространстве следующие  местные сопротивления: вход и выход  жидкости через штуцера, 14 поворотов  через сегментные перегородки (по их числу  ) и 23 сопротивлений трубного пучка при его поперечном обтекании ( ).

Сопротивление межтрубного пространства равно:

                    

где                                                    

 

По результатам  расчетов принимаем теплообменник  D = 400 мм, 20х2, F = 68 м², L = 6 м, n/z =181/1, масса 1890 кг.