Задача по "Теплотехнике"

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рассчитать кожухотрубчатый теплообменник для нагревания m кг/час жидкости от температуры t_2В,⁰C до температуры t_2K,°C. Греющий теплоноситель - водяной пар. Давление пара Р_абс, атм.

В результате расчета определить:

1. Коэффициенты теплопередачи и теплоотдачи.
2. Поверхность теплообмена.
3. Основные размеры теплообменника.
4. Толщину изоляции и тепловые потери в окружающую среду.
5. Расход греющего пара.

 

Дано:

Теплообменник горизонтальный

Нагревательная жидкость – раствор NaCl 20%

m₂ = 30000 кг/час = 8,333 кг/с – расход жидкости

t_2н = 29^°C – начальная температура жидкости

t_2к = 102°C – конечная температура жидкости

Р_абс  = 2,3 атм. – давление перегретого водяного пара

δ_ст = 2,5 мм

 

Решение:

На основании практических данных принимаем:

• скорость жидкости со = 0,75 м/с
• наружный диаметр трубы d_н = 25мм,
• количество ходов в теплообменнике z_тр = 6

 

Определяющая температура

 

 

Внутренний диаметр трубы

 

d_в = d_н - 2*δ_ст = 25 – 2*2,5 = 20мм. = 0,020 м.

 

Число труб в одном ходу

 

 

где р₂ = 980,23 кг/м³ - плотность жидкости (табл. 4 приложения)

 

Общее число труб в пучке (расчетное):

 

n = n₁ * z_тр = 35,98*6 = 215,88

 

Располагая трубы по периметрам шестиугольников, выбираем из табл. 2 ближайшее значение п = 241, число труб по диагонали 17, e = 0,58

 

Уточняем n₁    

 

n₁ = n / z_тр = 241/6 = 40,167

 

 

 

Пересчитываем скорость движения жидкости

 

 

1.Определение среднего температурного напора

 

 

    

где t_s = 124,74ºС - температура пара при Р_абс = 2,3 атм. (табл. 3 приложения)

 

Dt_б = t_s - t_2н =124,74 – 29 = 95,74ºС

Dt_м = t_s - t_2к = 124,74 – 102 = 22,74ºС

 

 

2.Определение коэффициента теплоотдачи от стенки к нагреваемой жидкости α₂

 

критерий Рейнольдса:

Re =

 

где d_э = d_в = 0,02 м - эквивалентный диаметр

µ = 0,443*10⁶ м²/с - динамическая вязкость (табл.4 приложения)

 

 

Так как Re > 10000 -  режим движения турбулентный.

 

N_u = 0,023*R^0.8*P_r^0.43

 

 

P_r = 2,74 - критерий Прандтля (табл.4 приложения)

 

N_u = 0,023*30338,6^0.8*2,74^0.43 = 0,023*3851,2*1,54 = 136,41

 

Вычисляем коэффициент теплоотдачи из формулы

 

  

λ = 0,664 Вт/м*К (табл.4 приложения)

 

3. Определение коэффициента теплоотдачи от пара к стенке a₁

 

 

Разность температур пара и стенки

 

t_ст = (124,74+124,74+29+102)/4 = 95,12°С

 

Δt₁= t_s – t_ст = 124,74 - 95,12 = 29,62°С

 

При t_s =124,74 по табл.4 приложения

 

l₁= 0,685 Вт/(м*°К) – теплопроводность пленки конденсата

р = 943,1 кг/м³ – плотность

µ = 0,225*10⁶ м²/с - динамическая вязкость

 

r₁=2,189*10³ Дж/кг – удельная теплота конденсата (табл.3 приложения)

ɛ = 0,58 (табл.2 приложения)

 

4. Определение коэффициента теплопередачи

 

Принимаем толщину слоя загрязнения (в пределах 0,5 – 1,5 мм.) δ_загр=1

 

Термическое сопротивление  загрязненной стенки

 

 

где по табл.22  приложения

 

λ_ст = 45 Вт/(м*К) – теплопроводность стали

λ_загр = 2 Вт/(м*К) – теплопроводность накипи

 

 

5.Определение поверхности теплообмена и основных размеров теплообменника

 

Тепловая нагрузка

 

Q = m₂*C₂*(t_2K - t_2H) = 8,333*4180*(102-29) = 2,543*10⁶ Вт

 

где с - удельная теплоемкость нагреваемой жидкости

 

 

Поверхность теплообмена

 

Длина труб

 

где  n - общее количество труб в пучке

 d_p = (0,025 – 0,02)/2 = 0,0025 - расчетный диаметр

 

 

Диаметр кожуха:

D_k = t*(в -1) + 4*d_н = 0,708м

 

где в =17 - число труб по диагонали шестиугольника (табл.2)

t - шаг труб

м

 

D_k = 0,034*(17-1) + 4*0,025 = 0,554 м

 

6.Расчет изоляции и тепловых потерь в окружающую среду

 

Коэффициент теплоотдачи от поверхности изоляции к окружающему воздуху

 

α_n = 9,3*0,06*t_из = 12,9 Вт/(м²*°К)

 

Коэффициент теплопередачи в окружающую среду

 

 

где t_из = 60°С - допустимая температура поверхности изоляции

t_возд = 20°С - температура окружающего воздуха

 

Толщина изоляционного слоя

 

 

λ_из = 0,07 Вт/(м*°К) – теплопроводность изоляционного материала (шлаковая вата)

 

Наружная поверхность теплообменника

 

F_n =π*D_k*H + (π+D_k²)/2 = 3,14*0,708*25,09+(3,14+0,708²)/2 = 57,6 м²

 

Определяем потери тепла в окружающую среду

 

Q_пот = K_n *F_n *(t_s – t_возд) = 4,926*57,6*(124,74-20) = 29,7*10³ Вт

 

7 Определение расхода греющего пара

 

 

где i₂ = 2713 кДж/кг - энтальпии пара

i₁ = 524,0 кДж/кг - энтальпии конденсата (табл. 3 по заданному давлению)