Рассчитать кожухотрубчатый теплообменник для нагревания m=16000 кг/час 16%-го раствора сахара от температуры t2н=250С до температуры t2к=860С

Определение среднего температурного напора и определяющей температуры
Согласно справочным данным определяем, что давлению пара 1,4 ат (1,37 бар) соответствует температура 108,70С.
Составляем температурную схему процесса и рассчитываем среднюю разность температур:
Теплоноситель 1 (16% сахар): 250С→860С
Теплоноситель 2 (водяной пар):108,70С←108,70С
∆tб=108,7-25=83,70С
∆tм=108,7-86=22,70С
∆tcp=∆tб-∆tм2,3∙lg∆tб∆tм=83,7-22,72,3∙lg83,722,7=46,80С
Определяющая температура для сливок:
∆tопр=t2н+t2к2=25+862=55,50С
2. Выбор конструктивных элементов и скорости жидкости
Учитывая условия теплообмена и удобство эксплуатации, жидкость необходимо направить по трубам, а пар – в межтрубное пространство. Скорость движения жидкости в трубах должна обеспечить достаточно интенсивный теплообмен и не вызвать сильного возрастания гидравлических сопротивлений.
На основании практических данных принимаем:
скорость жидкости ω =0,8 м/с;
наружный диаметр трубы dн=25 мм;
толщину стенки трубы δст=2,5мм.
Определяем число труб в одном ходу:
n1=1,27∙mdв2∙ρ∙1ω,
где m – расход жидкости, кг/с; m=16000 кг/ч=4,444 кг/с;
dв – внутренний диаметр трубы, м; dв=25-2·2,5=20 мм=0,02 м;
ρ - плотность жидкости, кг/м3; ρ=1052,22 кг/м3 (для 16% сахара при 55,50С);
ω - скорость жидкости, м/с; ω=0,8 м/с
n1=1,27∙4,4440,022∙1052,22∙10,8=17 шт
Общее число труб в пучке (расчетное):
n=n1∙zтр,
где zтр – количество ходов в теплообменнике; принимаем zтр=2.
n=17∙2=34 шт
Располагая трубы по периметрам шестиугольников, выбираем из табл. 2 приложения n=37 шт. Тогда n1=37/2=18,5~19 шт. Уточняем скорость движения жидкости:
ω=1,27∙4,4440,022∙1052,22∙119=0,71 м/с
3 . Определение коэффициента теплоотдачи от стенки к нагреваемой жидкости
Для определения режима движения жидкости в трубах, определяем
критерий Рейнольдса:
Re=ω∙d∙ρμ,
где μ-динамическая вязкость жидкости, Па·с; μ=0,77·10-3 Па·с (для 16% сахара при 55,50С).
Re=0,71∙0,02∙1052,220,77·10-3=19404,58
Режим движения потока по трубам турублентный.
Коэффициент теплоотдачи для жидкости при турбулентном течении в трубах рассчитываем на основе критериального уравнения:
Nu=0,023∙Re0,8∙Pr0,43,
где P-критерий Прандтля для нагреваемой жидкости;
Pr=c∙μλ,
где -удельная теплоемкость нагреваемой жидкости, Дж/(кг·0С);
λ-коэффициент теплопроводности нагреваемой жидкости, Вт/(м·К).
Удельную теплоемкость 16% раствора сахара рассчитываем по формуле:
с=4,19-2,52-0,0075∙t∙B100;
с=4,19-2,52-0,0075∙55,5∙16100=3,853 кДж/(кг∙℃)
Коэффициент теплопроводности раствора сахара рассчитываем по формуле:
λ=К·λв·1-556·10-5∙В,
где К – поправочный коэффициент; К=0,912 при содержании сахара в растворе 16%;
λв-коэффициент теплопроводности воды при данной температуре, Вт/(м·К); λв=0,654 Вт/(м·К) при температуре 55,50С.
Таким образом, получим:
λ=0,912·0,654·1-556·10-5∙16=0,543Втм∙К;
Pr=3853∙0,77∙10-30,543=5,464;
Nu=0,023∙19404,580,9∙5,4640,43=128,58;
∝2=Nu∙λdв=128,58∙0,5430,02=3490,95Втм2∙К,
Температуру стенки рассчитываем как среднеарифметическую величину:
tст=ts+tконд+t2н+t2к4
Принимаем ts=tконд=108,70С.
tст=108,7+108,7+25+864=82,10С
4. Определение коэффициента теплоотдачи от пара к стенке 1.
Коэффициент теплоотдачи для пара, конденсирующегося на наружной поверхности пучка вертикальных труб, рассчитываем по формуле:
∝1=2,04∙4λ3∙ρ2∙rμ∙∆t∙Н,
где λ -коэффициент теплопроводности конденсата водяного пара при температуре конденсации, Вт/(м·К); λ=0,685 Вт/(м·К);
ρ-плотность конденсата водяного пара при температуре конденсации, кг/м3; ρ=951,96 кг/м3;
r-удельная теплота конденсации водяного пара, Дж/кг; r=2237,64·103 Дж/кг;
μ-динамический коэффициент вязкости конденсата водяного пара при температуре конденсации, Па·с; μ=259,38·10-6 Па·с;
∆t-разность между температурой конденсации пара и температурой стенки со стороны пара, (tконд-tст1), 0С;
Н- высота труб; принимаем Н=3 м.
Теплофизические свойства определены для конденсата водяного пара при температуре 108,70С.
∝2=2,04∙40,6853∙951,962∙2237640259,38∙10-6∙(108,7-82,1)∙3=4832,48 Вт/(м2∙К)
5