Рассчитать и подобрать нормализованный кожухотрубный теплообменник для нагрева рабочей среды (сероуглерод) от t1н=220С до t1к=460С при его массовом расходе G1=11 т/ч

Определяем среднюю температуру рабочей среды:
t1cp=t1н+t1к2=22+462=340С
По справочным таблицам определяем теплофизические свойства рабочей среды при ее средней температуре в теплообменнике:
плотность – 1242 кг/м3;
коэффициент динамической вязкости – 0,278·10-3 Па·с;
коэффициент теплопроводности – 0,162 Вт/(м·К);
удельная теплоемкость – 1007,8 Дж/(кг·К)
Определяем среднюю разность температур в теплообменнике при противоточной схеме движения теплоносителей.
Горячая вода: 84→540С
Сероуглерод: 46←220С
∆tб=84-46=380С
∆tм=54-22=320С
∆tб/∆tм=38/32=1,19
Так как отношение ∆tб/∆tм<2, среднюю разность температур рассчитываем как среднеарифметическую:
∆tcp=∆tб+∆tм2=38+322=350С
Средняя температура воды:
tcp2=t1cp+∆tcp=34+35=690С
По справочным таблицам определяем теплофизические свойства горячей воды при ее средней температуре в теплообменнике:
плотность – 978,24 кг/м3;
коэффициент динамической вязкости – 0,4120·10-3 Па·с;
коэффициент теплопроводности – 0,667 Вт/(м·К);
удельная теплоемкость – 4191,5 Дж/(кг·К)
Определяем тепловую нагрузку аппарата:
Q=G1∙c1∙t1к-t1н=110003600∙1007,8∙46-22=73905,33 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∙73905,334191,5∙84-54=0,617кгс
Для заданного вида теплообмена принимаем ориентировочное значение коэффициента теплопередачи Кор=300 Вт/(м2·К).
Ориентировочная поверхность теплообмена:
Fop=QKop∙∆tcp=73905,33300∙35=7 м2
Задаемся ориентировочным значением критерия Рейнольдса Reор=15000, соответствующим турбулентному режиму движения рабочей среды в трубках теплообменника . Принимаем диаметр трубок 20х2 мм.
Скорость рабочей среды в трубном пространстве теплообменника:
w1op=Reop∙μ1ρ1∙dвн=15000∙0,278∙10-31242∙0,016=0,21мс,
где dвн=0,016 м – внутренний диаметр трубок
Определяем необходимую площадь проходного сечения трубного пространства:
Sop=G1ρ1∙w1op=1100036001242∙0,21=0,012 м2
На основании выполненных расчетов выбираем кожухотрубный теплообменник со следующими характеристиками:
площадь поверхности теплообмена – F=11 м2;
диаметр кожуха – D=0,325 м;
число ходов – z=1;
длина трубок – L=2 м;
площадь прохода по трубному пространству – Sтр=0,018 м2;
площадь проходного сечения между трубами в вырезе перегородки – Sв.п=0,013 м2;
площадь проходного сечения в межтрубном пространстве между перегородками – Sм.п=0,015 м2.
Расчетное значение скорости рабочей среды в трубном пространстве:
w1=G1ρ1∙Sтр=1100036001242∙0,018=0,14мс
Критерий Рейнольдса при движении рабочей среды в трубном пространстве:
Re1=w1∙dвн∙ρ1μ1=0,14∙0,016∙12420,278∙10-3=10007,48
Критерий Прандтля для рабочей среды:
Pr1=c1∙μ1λ1=1007,8∙0,278∙10-30,162=1,73
Критерий Нуссельта для рабочей среды:
Nu1=0,021∙Re10,8∙Pr10,43=0,021∙10007,480,8∙1,730,43=42,15
Коэффициент теплоотдачи для рабочей среды:
∝1=Nu1∙λ1dвн=42,15∙0,1620,016=426,77
Площадь сечения межтрубного пространства:
Sмт=Sв.п∙Sм.п=0,013∙0,015=0,014 м2
Скорость движения горячей воды в межтрубном пространстве теплообменника:
w2=G2ρ2∙Sмт=0,617978,24∙0,014=0,045мс
Критерий Рейнольдса при движении горячей воды в межтрубном пространстве:
Re2=w2∙dн∙ρ2μ2=0,045∙0,020∙978,240,4120∙10-3=2136,93
Критерий Прандтля для горячей воды:
Pr2=c2∙μ2λ2=4191,5∙0,4120∙10-30,667=2,59
Критерий Нуссельта для горячей воды:
Nu2=0,24∙Re20,6∙Pr20,36=0,24∙2136,930,6∙2,590,36=33,64
Коэффициент теплоотдачи для горячей воды:
∝2=Nu2∙λ2dн=33,64∙0,6670,020=1121,89
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=11426,77+0,00246,5+11121,89=305,1Втм2∙К
Расчетная поверхность теплообмена:
F=QК∙∆tcp=73905,33305,1∙35=6,92 м2
Окончательно принимаем кожухотрубный теплообменник со следующими характеристиками:
площадь поверхности теплообмена – F=8,5 м2;
диаметр кожуха – D=0,325 м;
число ходов – z=1;
длина трубок – L=1,5 м;
площадь прохода по трубному пространству – Sтр=0,018 м2;
площадь проходного сечения между трубами в вырезе перегородки – Sв.п=0,013 м2;
площадь проходного сечения в межтрубном пространстве между перегородками – Sм.п=0,015 м2.
Запас поверхности теплообмена:
∆=Fст-FрFр=8,5-6,926,92=0,228
Схема кожухотрубного теплообменника приведена на рис