Кожухотрубчатые теплообменные аппараты

Примем конечную температуру этиленгликоля θ2=100˚С и определим среднюю разность температур по схеме для противотока:
t1=200С→ t2=650С
θ2=1000С←θ1=1200С
tб=100-20=800С
tм=120-65=550С
tб/tм=80/55=1,46
Отношение tб/tм<2, значит, средняя движущая сила будет рассчитана как среднеарифметическая:
∆tср=∆tб+tм2=80+552=67,50С
Средняя температура этиленгликоля в теплообменнике:
tсрэ=(tнэ+ tкэ)/2=(120+100)/2=1100С
Средняя температура гептана в теплообменнике:
tср= tсрэ-∆tср=110-67,5=42,50С
Согласно справочным данным, удельная теплоемкость гептана при температуре 42,50С составляет 2263 Дж/(кг·К). удельная теплоемкость этиленгликоля при средней температуре 1100С – 2849 Дж/(кг·К) [1].
Тепловая нагрузка теплообменника:
Q=G·c·(tк-tн)=(12000/3600)·2263·(65-20)=339450 Вт
Принимаем КПД теплопередачи η = 97% и из уравнения баланса тепла найдём расход этиленгликоля:
Gэ=Qcэ∙(t2к-t2н)=3394502849∙(120-100)=5,96кгс,
При теплопередаче от органической жидкости к органической жидкости согласно рекомендациям можно принять ориентировочно значение коэффициента теплопередачи Кор=500 Вт/(м2·К). В этом случае ориентировочная величина площади поверхности теплообмена составит:
Fор=QКор∙∆tcp=339450500∙67,5=10 м2
В качестве теплопередающих элементов принимаем стальные трубы диаметром 25×2 мм (dвн =21 мм). Гептан направляем в трубное пространство. Минимальная скорость потока, обеспечивающая развитый турбулентный режим (Re=10000), составит:
w=Re∙μгdвн∙ρг,
где μг-коэффициент динамической вязкости потока, Па·с; μг=0,327·10-3 Па·с – для гептана при 42,50С [3];
ρэ-плотность потока, кг/м3; ρэ=664 кг/м3 – для гептана при 42,50С [3].
w=10000∙0,327∙10-30,021∙664=0,24 м/с
Число труб на один ход составит:
n1=Gгρд∙π∙dвн24∙w=12000/3600664∙3,14∙0,02124∙0,24=60
Ввиду того, что коэффициент теплоотдачи для гептана примерно равен коэффициенту теплоотдачи для этиленгликоля, расчетный диаметр труб определяем по среднему значению, то есть dр=23 мм.
L=Fopπ∙dp∙n1=103,14∙0,023∙60=2,3 м
Принимаем длину труб из стандартного ряда l=4 м. Тогда число ходов Z=L/l=2,3/4~1.
По справочной таблице выбираем стандартизованный одноходовой теплообменник с площадью теплообменной поверхности Fст=19 м2, с длиной труб 4000 мм, диаметром 25×2 мм, диаметром кожуха 325 мм.
Коэффициент теплоотдачи для жидкости при турбулентном течении в прямых трубах рассчитываем на основе критериального уравнения:
Nu=0,021∙εL∙Re0,8∙Pr0,43∙PrPrст0,14,
где εl=1 при L/d>50;
Принимаем температуру стенки со стороны гептана 400С и рассчитываем значение критерия Прандтля при средней температуре его в теплообменнике и температуре стенки.
Определяем удельную теплоемкость, коэффициент теплопроводности и коэффициент динамической вязкости гептана при температуре стенки 950С [3]:
Cгст=2280 Дж/(кг∙К);
λгст=0,12 Вт/(м∙К);
μгст=0,000335 Па∙с.
Pr=Сг∙μгλг=2263∙0,0003270,12=6,17;
Prст=Сгст∙μгстλгст=2280∙0,0003350,12=6,37;
Nu=0,021∙1∙100000,8∙6,170,43∙6,176,370,14=72,46;
αг=72,46∙0,120,021=414 Вт/(м2∙К)
Согласно справочным данным находим, что динамический коэффициент вязкости этиленгликоля при его средней температуре в теплообменнике 1100С равен 0,363·10-3 Па·с, плотность – 991 кг/м3.
Скорость и критерий Рейнольдса для этиленгликоля в межтрубном пространстве теплообменника:
wэ=Gэ/ρэSэ=5,96/9910,014=0,43 м/с
Reэ=wэ∙dнар∙ρэμэ=0,43∙0,025∙9910,363∙10-3=29348
Следовательно, режим движения этиленгликоля в межтрубном пространстве теплообменника – турбулентный.
Для последующих расчетов примем ориентировочно температуру стенки со стороны этиленгликоля tст2=1030С.
Коэффициент теплоотдачи для этиленгликоля при Re>1000 рассчитываем по формуле, применяемой для случая поперечного обтекания пучка труб при их шахматном расположении в теплообменнике:
Nu2=0,4∙εφ∙Re0,6∙Pr0,36∙PrPrст0,25,
где εφ=0,6 – для кожухотрубчатых теплообменников.
Pr=Сэ∙μэλэ=2849∙0,0003630,5=2;
Prст=Сэст∙μэстλэст=2775∙0,0003820,52=2;
Тогда получим:
Nuэ=0,4∙0,6∙293480,6∙20,36∙220,25=147,6
∝э=Nuэ∙λэdнар=147,6∙0,50,025=2952Втм2∙К,
Принимаем тепловую проводимость загрязнений со стороны этиленгликоля 1/rзагр2=5800 Вт/(м2·К), а со стороны гептана 1/rзагр1=5800 Вт/(м2·К) . Теплопроводность стали λст=46,5 Вт/(м·К). Таким образом, получим суммарную тепловую проводимость загрязнений:
∑rст = rзагр 1 + rст + rзагр 2
rст=15800+0,00246,5+15800=3,9∙10-4 м2∙К/Вт.
Рассчитываем коэффициент теплопередачи в проектируемом теплообменнике:
К=11αэ+rст+1αм=11414+3,9∙10-4+12952=318 Вт/(м2∙К)
Поверхностная плотность теплового потока:
q=К∙∆tcp=318∙67,5=21465 Вт/м2
Проверяем значения принятых ранее температур стенок:
tст1=t1+q/α1=42,5+21465414=94,30С
tст2=t2-q/α2=110-214652952=102,70С
Рассчитанные температуры стенки отличаются от принятых ранее значений на 10С, что позволяет принять выполненные расчеты и значение коэффициента теплопередачи в системе 318 Вт/(м2·К).
На основании рассчитанного значения коэффициента теплопередачи определяем требуемую площадь поверхности теплообмена:
Sтреб=QК∙∆tcp=339450318∙67,5=15,8 м2
Принимаем к установке одноходовой кожухотрубчатый теплообменник со следующими техническими характеристиками [4]:
диаметр кожуха – 325 мм;
поверхность теплообмена – 19 м2;
длина труб – 4,0 м;
площадь трубного пространства – 0,021 м2;
площадь межтрубного пространства – 0,014 м2.
Запас поверхности теплообмена составляет:
∆=S-SрасчSрасч∙100=19-15,815,8∙100=20,3%.
Внутренний диаметр штуцеров определим по уравнению:
dшт=4∙Gπ∙ρ∙v ,
где G - расход жидкости, кг/с;
ρ - плотность жидкости, кг/м3;
v - скорость жидкости, м/с.
Вход гептана в теплообменник
Плотность гептана при температуре 200С составляет 683,7 кг/м3.
Принимаем скорость движения дихлорэтана v=2 м/с, тогда диаметр штуцера равен:
dшт1=4∙3,333,14∙683,7∙3 =0,045 м.
Принимаем диаметр штуцера из стандартного ряда dшт1=50 мм.
Уточненная скорость движения: 2,48 м/с.
Выход гептана из теплообменника
Принимаем скорость движения жидкости v=1,5 м/с, плотность гептана 643,9 кг/м3 при 650С, тогда диаметр штуцера равен:
dшт2=4∙3,333,14∙643,9∙1,5 =0,066 м
Принимаем диаметр штуцера из стандартного ряда dшт2=65 мм.
Уточненная скорость движения: 1,56 м/с.
Вход этиленгликоля в теплообменник
Плотность этиленгликоля при 1200С: 984 кг/м3
Принимаем скорость движения этиленгликоля 2 м/с, тогда диаметр штуцера равен:
dшт3=4∙5,963,14∙984∙2 =0,062 м
Принимаем диаметр штуцера из стандартного ряда dшт3=65 мм.
Уточненная скорость движения 1,83 м/с.
Выход этиленгликоля из теплообменника
Плотность этиленгликоля при 1000С: 997 кг/м3
Принимаем скорость движения этиленгликоля 1 м/с, тогда диаметр штуцера равен:
dшт4=4∙5,963,14∙991∙1 =0,088 м
Принимаем диаметр штуцера из стандартного ряда dшт4=100 мм.
Уточненная скорость движения 0,77 м/с.
Гидравлическое сопротивление трубного пространства
Потери давления при входе гептана в распределительную камеру:
∆р1=ξ1·ρг∙ωг122=1∙687,7∙2,4822=2114,82 Па
Скорость гептана при входе потока в трубы теплообменника:
ωэ2=Gг/ρгSтр=3,33/687,70,021=0,23 м/с
Потери давления при входе потока в трубы:
∆р2=ξ2·ρэ∙ωэ222=1∙687,7∙0,2322=18,19 Па
Скорость гептана при выходе потока из труб теплообменника:
ωг2=Gг/ρгSтр=3,33/643,90,021=0,25 м/с
Потери давления при выходе потока из труб:
∆р3=ξ3·ρг∙ωг322=1,5∙643,9∙0,2522=30,18 Па
Потери давления при входе потока в выходной штуцер:
∆р4=ξ4·ρг∙ωг422=0,5∙643,9∙1,5622=391,75 Па
Критерий Рейнольдса для потока этиленгликоля в трубах равен 10000.
Принимаем шероховатость Δ=0,1 мм