Произвести проектный расчет пластинчатого теплообменника для охлаждения серной кислоты холодной водой

Тепловой расчет
Определим количество тепла, передаваемого в единицу времени:
Q=G1c1(t1'-t1")= 90*1340*(85-35) = 6030 кВт
Находим расход охлаждающей воды:
массовый:
G1=Qc2(t2"-t2')=60300004187*(35-12)=62,6 кг/c
объемный:
V2=G2ρ2= 62,6997=0,0628 м3/с
Вычисляем средний температурный напор:
Схема потоков:
85 С 35 С
35 С 12 С
tб = 85 – 35 = 50 С tм = 35 – 12 = 23 С
Δt= Δtб-ΔtмlnΔtбΔtм= 50-23ln5023=34,8 С
и 1 = 4,4
Определяем рациональную скорость движения кислоты в каналах теплообменника.
Для ориентировочного расчета скорости принимаем:
1 = 3500 Вт/(м2 К); tcm = (60+23,5)/2 = 41,75 °C;
w1=23α1(t1-tст)Δp1c1(t1'-t1")ρ12ξ1=233500(60-41,75)135000134085-351835,62*4,4=0,385 м/с
Критерий Рейнольдса для потока кислоты:
Re1= w1dэν1=0,385*0,00965,3*10-6=697,3
Проверяем принятое значение коэффициента общего гидравлического сопротивления:
ξ1=22,4Re0,25= 22,4697,30.25=4,36
Это достаточно близко к принятому ξ1= 4,4.
Вычисляем критерий Прандтля Pr1 и Рrст при средней температуре кислоты и при температуре стенки:
Pr1= c1ν1ρ1λ1= 1340*5,3*10-6*1835,60,385=33,8
При tст = 41,75 С физические свойства кислоты характеризуются следующими данными:
Сст = 1440 Дж/(кг К)
ст = 0,3025 Вт/(м С)
ст = 7,4*10-6 м2/с
ст = 1815 кг/м3
Получаем Prcт:
Prст= cстνстρстλст= 1440*7,4*10-6*18150,3025=63,9
Вычисляем критерий Нуссельта со стороны охлаждаемой кислоты:
Nu1=0,135Re10.73Pr10.43Pr1Prст0.25=0,135*697,30,7333,80,4333,863,90,25=62,27
Находим коэффициент теплоотдачи от кислоты к стенке по полученному значению Nu
α1=Nu1λ1dэ= 62,27*0,3570,0096=2315 Вт/(м2К)
Определяем аналогично рациональную скорость движения воды в каналах теплообменника.
2 = 3500 Вт/(м2 К); tcm = (12+35)/2 = 23,5 °C;
и 2 = 2,6
w2=23α2(tст-t2)Δp2c2(t2"-t2')ρ22ξ2=233500(41,75-23,5)130000418735-129972*2,6=0,64 м/с
Критерий Рейнольдса для потока воды:
Re2= w2dэν2=0,64*0,00960,925*10-6=6642
Проверим принятое значение коэффициента общего гидравлического сопротивления со стороны воды:
ξ2=22,4Re0,25= 22,466420.25=2,5
Критерий Прандтля Рг2 и Prcm для воды равны:
приt2 = 23,5°С Рr2 = 6,46
приtст = 41,75°С Рг= 4,17
Вычисляем критерий Нуссельта для воды по той же формуле, что и для кислоты:
Nu2=0,135Re20.73Pr20.43Pr2Prст0.25=0,135*66420,736,460,436,464,170,25=207,3
Коэффициент теплоотдачи от стенки к воде составит:
α2=Nu2λ2dэ= 207,3*0,6140,0096=13258 Вт/(м2К)
Определяем термическое сопротивление стенки пластины и загрязнений на ней.
термическое сопротивление загрязнений на стенке по стороне серной кислоты найдем по таблице 2 ориентировочно:
Rз= 0,00005 м2 К/Вт
термическое сопротивление стенки из стали марки Х18Н10Т при ее толщине =1 мм:
Rст= 0,000063 м2К/Вт
термическое сопротивление загрязнений на стенке по стороне воды определим ориентировочно по таблице 2:
Rз = 0,00023 м2 К/Вт
Вычисляем коэффициент теплопередачи:
k=11α1+δ1λ1+δстλст+δ2λ2+1α2=112315+0,00005+0,000063+0,00023+113258=1175 Вт/(м2 К)
Определяем общую поверхность теплопередачи аппарата:
Fа=QkΔt=60300001175*34,8=147,46 м2
Принимаем ближайшую стандартную поверхность Fв = 160 м2
Компоновочный расчет и уточнение величины рабочей поверхности
Площади поперечных сечений пакетов составят:
а) со стороны кислоты
fn1=V1w1=0,0490,385=0,127 м2
б) со стороны воды:
fn2=V2w2=0,06280,55=0,1141 м2
Число каналов в одном пакете:
а) для кислоты:
m1=fn1f1= 0,1270,0043=29,5
принимаем пц = 30.
б) для воды:
m2=fn2f1= 0,11410,0043=26,5
принимаем пц = 27.
Число пластин в одном пакете:
для кислоты n1 = 2m1 = 2*30 = 60;
для воды n2 = 2m2 = 2*27 = 54.
Определяем поверхность теплообмена одного пакета при полученном числе пластин:
для кислоты Fn1 = F1n1 = 1,3 • 60 = 78 м2
для воды Fn2 = F1n2 = 1,3 • 54 = 70,2 м2
Число пакетов в аппарате:
по стороне кислоты:
X1=FaqFn1= 16078=2,05
принимаем Х1 = 2;
по стороне воды:
X2=FaFn1= 16054=2,96
принимаем Х2 = 2 (если округлять до 3, то необходимо уменьшить число каналов до 30, что приведет к увеличению скорости и превышению напора).
Число пластин в аппарате определяем с учетом наличия концевых пластин:
na=Fa+2F1F1= 160+2*1,31,3=134
Схема компоновки пластин в аппарате может быть принята такой:
C= 33 + 3334+34
Фактическая площадь поперечного сечения каналов в пакетах для обеих сред составит:
fn=mf1=33*0,0043=0,1419 м2
Фактическая скорость движения кислоты и воды в каналах после уточнения:
w1=V1fn1=0,0490,1419=0,345 м/с
w2=V2fn1=0,06280,1419=0,442 м/с
Как видим, по конструктивным соображениям пришлось увеличить число каналов в каждом пакете аппарата со стороны воды до т = 31, что привело к уменьшению скорости потока воды на 14 % против ее рационального значения.
Можно ожидать, что потребный напор для прокачивания воды через аппарат будет несколько меньше располагаемого.
Проверим, достаточно ли выбранной поверхности теплопередачи при фактических скоростях рабочих сред.
Критерий Рейнольдса при новых значениях скоростей:
Re1= w1dэν1=0,345*0,00965,3*10-6=625
Re2= w2dэν2=0,442*0,00960,925*10-6=4587
Критерий Нуссельта:
Nu1=0,135Re10.73Pr10.43Pr1Prст0.25=0,135*6250,7333,80,4333,863,90,25=55,4
Nu2=0,135Re20.73Pr20.43Pr2Prст0.25=0,135*45870,736,460,436,464,170,25=157,8
12