Рассчитать и подобрать нормализованный кожухотрубный теплообменник для нагрева рабочей среды (гексан) от t1н=140С до t1к=280С при его массовом расходе G1=15 т/ч

Определяем среднюю температуру рабочей среды:
t1cp=t1н+t1к2=14+282=210С
По справочным таблицам определяем теплофизические свойства рабочей среды при ее средней температуре в теплообменнике:
плотность – 659 кг/м3;
коэффициент динамической вязкости – 0,317·10-3 Па·с;
коэффициент теплопроводности – 0,124 Вт/(м·К);
удельная теплоемкость – 2245 Дж/(кг·К)
Определяем среднюю разность температур в теплообменнике при противоточной схеме движения теплоносителей.
Горячая вода: 65→390С
Гексан: 28←140С
∆tб=65-28=370С
∆tм=39-14=250С
∆tб/∆tм=37/25=1,48
Так как отношение ∆tб/∆tм<1,8, среднюю разность температур рассчитываем как среднеарифметическую:
∆tcp=∆tб+∆tм2=37+252=310С
Средняя температура воды:
tcp2=t1cp+∆tcp=21+31=520С
По справочным таблицам определяем теплофизические свойства горячей воды при ее средней температуре в теплообменнике:
плотность – 987 кг/м3;
коэффициент динамической вязкости – 0,5333·10-3 Па·с;
коэффициент теплопроводности – 0,65 Вт/(м·К);
удельная теплоемкость – 4184,6 Дж/(кг·К)
Определяем тепловую нагрузку аппарата:
Q=G1∙c1∙t1к-t1н=150003600∙2245∙28-14=130958,33 Вт
Массовый расход горячей воды определяем с учетом 5% потерь тепла в окружающую среду из уравнения теплового баланса:
G2=1,05∙Qc2∙t2н-t2к=1,05∙130958,334184,6∙65-39=1,264кгс
Для заданного вида теплообмена принимаем ориентировочное значение коэффициента теплопередачи Кор=300 Вт/(м2·К).
Ориентировочная поверхность теплообмена:
Fop=QKop∙∆tcp=130958,33300∙31=14,08 м2
Задаемся ориентировочным значением критерия Рейнольдса Reор=15000, соответствующим турбулентному режиму движения рабочей среды в трубках теплообменника . Принимаем диаметр трубок 25х2 мм.
Скорость рабочей среды в трубном пространстве теплообменника:
w1op=Reop∙μ1ρ1∙dвн=15000∙0,317∙10-3659∙0,021=0,34мс,
где dвн=0,021 м – внутренний диаметр трубок
Определяем необходимую площадь проходного сечения трубного пространства:
Sop=G1ρ1∙w1op=150003600659∙0,34=0,019 м2
На основании выполненных расчетов выбираем кожухотрубный теплообменник со следующими характеристиками:
площадь поверхности теплообмена – F=19 м2;
диаметр кожуха – D=0,325 м;
число ходов – z=1;
длина трубок – L=4 м;
площадь прохода по трубному пространству – Sтр=0,021 м2;
площадь проходного сечения между трубами в вырезе перегородки – Sв.п=0,014 м2;
площадь проходного сечения в межтрубном пространстве между перегородками – Sм.п=0,014 м2.
Расчетное значение скорости рабочей среды в трубном пространстве:
w1=G1ρ1∙Sтр=150003600659∙0,021=0,3мс
Критерий Рейнольдса при движении рабочей среды в трубном пространстве:
Re1=w1∙dвн∙ρ1μ1=0,3∙0,021∙6590,317∙10-3=13096,84
Критерий Прандтля для рабочей среды:
Pr1=c1∙μ1λ1=2245∙0,317∙10-30,124=5,74
Критерий Нуссельта для рабочей среды:
Nu1=0,021∙Re10,8∙Pr10,43=0,021∙13096,840,8∙5,740,43=225,94
Коэффициент теплоотдачи для рабочей среды:
∝1=Nu1∙λ1dвн=225,94∙0,1240,021=1334,12
Площадь сечения межтрубного пространства:
Sмт=Sв.п∙Sм.п=0,014∙0,014=0,014 м2
Скорость движения горячей воды в межтрубном пространстве теплообменника:
w2=G2ρ2∙Sмт=1,264987∙0,014=0,091мс
Критерий Рейнольдса при движении горячей воды в межтрубном пространстве:
Re2=w2∙dн∙ρ2μ2=0,091∙0,025∙9870,5333∙10-3=4210,44
Критерий Прандтля для горячей воды:
Pr2=c2∙μ2λ2=4210,44∙0,5333∙10-30,65=3,45
Критерий Нуссельта для горячей воды:
Nu2=0,24∙Re20,6∙Pr20,36=0,24∙4210,440,6∙3,450,36=56
Коэффициент теплоотдачи для горячей воды:
∝2=Nu2∙λ2dн=56∙0,650,025=1456
Коэффициент теплопередачи в проектируемом теплообменнике:
К=11∝1+sλст+1∝2,
где -толщина трубы, м; s=2 мм=0,002 м;
λст-коэффициент теплопроводности материала труб, Вт/(м·К); для нержавеющей стали принимаем λст=46,5 Вт/(м·К).
К=111334,12+0,00246,5+11456=675,95Втм2∙К
Расчетная поверхность теплообмена:
F=QК∙∆tcp=130958,33675,95∙31=6,75 м2
Окончательно принимаем кожухотрубный теплообменник со следующими характеристиками:
площадь поверхности теплообмена – F=8 м2;
диаметр кожуха – D=0,325 м;
число ходов – z=2;
длина трубок – L=2 м;
площадь прохода по трубному пространству – Sтр=0,021 м2;
площадь проходного сечения между трубами в вырезе перегородки – Sв.п=0,014 м2;
площадь проходного сечения в межтрубном пространстве между перегородками – Sм.п=0,014 м2.
Запас поверхности теплообмена:
∆=Fст-FрFр=8-6,756,75=0,185
Схема кожухотрубного теплообменника приведена на рис