Тепловой расчет кожухотрубного теплообменника

1 Тепловой расчет

 

1.1 Температурные  условия нагревания

 

По давлению насыщенного пара 0,3 МПа определяем температуру его насыщения t_s = 127,43°C. Тогда разности температур в начале Δt_б, °C  и в конце Δt_м, °C  нагревания определяем по формулам (1.1) и (1.2):

 

                                        

 

 

                                          

 

;

 

.

 

Среднюю разность температур определяем по формуле (1.3):

 

                                       

 

;

 

Среднюю температуру  нагреваемого раствора определяем по формуле (1.4):

 

                                         

 

 

 

 

1.2 Физические  параметры нагреваемого раствора

 

При средней температуре  горячего теплоносителя  определяем физические параметры раствора (яблочный сок):

 

 

- кинематическая вязкость  = 7960 ∙ 10^-6, м²/с ;

- плотность ρ = 1546, кг/м³;

- теплопроводность λ = 0,33 Вт/(м∙К);

- удельная теплоемкость с = 2850, Дж/(кг∙К);

Рассчитываем критерий Прандтля:

 

                               

                         

 

 

1.3 Тепловая  нагрузка и расход пара

 

Тепловую нагрузку Q, Вт с учетом тепловых потерь, при х=1,02, определяем по формуле (1.6):

 

                                

                                                                             

 

 Вт

 

Расход пара определяем по формуле (1.6):

 

                                                                                                           

                                                 

кг/с=129,34кг/час;

 

1.4 Расчет коэффициента теплопередачи

 

Среднюю температуру  пленки конденсата определяем по формуле (1.8):

 

                                          

 

Задаемся перепадом  температур на пленке конденсата =7^оС, тогда температура стенки :

 

;

 

Для этой температуры  находим характеристики пленки конденсата :

 

Физические параметры  водного раствора  при  температуре  пленки конденсата:

- плотность ρ₁= 943, кг/м³;

- теплопроводность λ₁= 0,685, Вт/(м∙К);

- динамическая вязкость μ₁= 238 ∙ 10^-6, Па∙с.

Перепад температур на пленке конденсата находим по формуле (1.9):

 

                                           

                                                 

 

С,

 

Коэффициент теплоотдачи  от конденсирующегося пара к стенке определяем по формуле (1.10):

 

                                 

где - ρ_{1 -} плотность;

λ_1- теплопроводность;

 μ₁= динамическая вязкость.

 

 Вт/м²К,

 

Определяем  значение критерия Рейнольдса Re по формуле (1.11):

 

                                           

 

,

 

При Re>10⁴  критерий Нуссельта Nu определяем из критериального уравнения (1.12):

 

                             

                           

 

;

Коэффициент теплоотдачи  от стенки к раствору вычисляем по формуле (1.13):

 

   ,                                       

 

;

 

Коэффициент теплопередачи К вычисляем по формуле (1.14):

 

                            

    ,                                                 

 

Находим суммарное термическое  сопротивление поверхности теплопередачи  и загрязнений  по формуле (1.15):

 

                                      

  ,                                  

r_з1=

r_з2=

 

;

 

,

 

Температуру поверхности  теплопередачи  со стороны горячего теплоносителя находим по формуле (1.16):

 

    ,                                    

 

С,

Уточняем правильность расчета по формуле (1.17):

 

     ,                                      

 

 

Так как Δ < 5%, расчет выполнен верно.

 

 

5.  Определение поверхности нагрева

 

 

Поверхность нагрева  подогревателя F, м², определяем из формулы (1.18):

   ,                                     

 

 

 м²,

 

 

2. Элементы  конструктивного расчета подогревателя

 

2.1 Расчет проточной  части трубного пространства

 

 

Определяем площадь  сечения трубок одного хода по формуле (2.1):

 

,                                           

 

,

 

Количество трубок одного хода находим из формулы (2.2):

 

                                        

 

,

 

 

Определяем расчетную длину пучка трубок во всех ходах из формулы (2.3):

 

      ,                                    

 

м;

 

,

 

Число ходов  в трубном пространстве находим из формулы (2.4):

 

                                             

 

 

Общее число трубок, размещаемое  на трубной решетке, n найдем из формулы (2.5):

 

 ,                                          

 

.

 

 

2.2 Размещение  трубок на трубной решетке

 

 

Зависимость между общим  числом трубок , числом трубок по диагонали и числом трубок на стороне шестиугольника определяется соотношением, выраженным в формуле (2.6):

 

                                            

 

Из формулы (2.6) найдем количество трубок, расположенных на стороне наибольшего шестиугольника, :

 

 

.

 

Количество трубок по диагонали наибольшего шестиугольника найдем из формулы (2.7):

 

                                                                                          

 

 

Шаг размещения трубок S, мм, находим из формулы (2.8):

 

                                                                              

 

м

 

Диаметр окружности , на котором размещаются крайние трубки, определяем по формуле (2.9):

 

                                    

                                      

м,

 

Внутренний диаметр  корпуса  найдем из формулы (2.10):

 

                                                                   

 

м,

 

Диаметр корпуса определяем по формуле (2.11):

 

  ,                    

 

 м,                      

 

Диаметр патрубка для  подачи воды определяем из формулы (2.12):

 

   ,                                   

 

 

м, 

                             

Диаметр патрубка для  подачи пара определяем из формулы (2.13):

 

                              

 

 

м.

 

 

3 Гидравлический  расчет подогревателя

 

 

Основной задачей расчета является определение гидравлического сопротивления проточной трубной части аппарата. Потери давления в рабочей среде р (Па) , при прохождении ее через аппарат определяются суммой сопротивлений и местных сопротивлений .

 

                             

                                        (3.1)

 

Относительная шероховатость трубы найдем из формулы (3.2):

 

                                           

 

К=0,1 – для стальных новых труб,

,

 

Потери давления на трение определяется по формуле (3.3):

 

                                  

    ,                      (3.3)

 

где - скорость сока в канале, м/с;

l – длина канала, l=2,3м;

d_вн – внутренний диаметр канала, d_вн=0,023 м;

- коэффициент сопротивления  трению.

         

Коэффициент сопротивления трению при турбулентном режиме определяем из формулы (3.4) / 3 /:

 

                                   

                               (3.4)   

 

 

,

 

 

Потери давления в рабочей среде при прохождении ее через аппарат определяем по формуле (3.5) /3/:

 

                          (3.5)                      

 

 

Па.