Провести тепловой расчет и подобрать кожухотрубный теплообменник-конденсатор (по ГОСТ 15118-79

Согласно справочным данным, температура кипения 30%-го раствора соляной кислоты при атмосферном давлении составляет 900С. Принимаем температуру греющего пара, используемого для нагрева водного раствора кислоты до температуры кипения, равной 1200С, что соответствует его давлению 0,146 МПа. Потери теплоты в окружающую среду примем в размере 5% от полезной теплоты.
Раствор кислоты будет двигаться по трубному пространству теплообменного аппарата, а греющий пар по межтрубному пространству.
Составляем температурную схему процесса:
Рис. 4.2 – Температурная схема процесса
Раствор соли: 15→900С
Водяной пар: 110→1100С
tб=110-15=950С
tм=110-90=200С
tб/tм=95/20=4,75
Отношение tб/tм>2, значит, средняя движущая сила будет рассчитана как среднелогарифмическая:
∆tср=∆tб-tмln∆tб∆tм=95-20ln9520=48,130С
Рассчитаем среднюю температуру раствора tср и температуру пленки конденсата tпл.
tпл=Тгорст+tст12,
где Тгорст-средняя температура горячего теплоноситедя; Тгорст=Тпара=1100С;
tст1-температура стенки со стороны горячего теплоносителя, 0С:
tст1=Тгорст-0,1∙∆tcp=110-0,1∙48,13≈1050С
tпл=110+1052=107,5≈1080С
tср=tпл-∆tcp=108-48,13=59,87≈600С
Составим уравнение теплового баланса. Часть теплоты от пара переходит через стенку кожуха в окружающую среду.
Qпар=Qсм+Qп
Тепловая нагрузка в теплообменном аппарате:
Gпар∙rпар=Gр∙Cр∙tт.к-tт.н+Qп
Gпар∙rпар=1,05∙Gр∙Cр∙tт.к-tт.н
Удельная теплота конденсации пара при температуре 1100С составляет 2234 кДж/кг.
Удельная теплоемкость 30%-го водного раствора соляной кислоты при ее средней температуре в аппарате 600С составляет 3059 Дж/(кг∙К).
Определим расход греющего пара:
Gпар=1,05∙30000∙3059∙(90-15)3600∙2234000=0,90кгс=3240кгч
Определим тепловую нагрузку теплообменного аппарата:
Q=300003600∙3059∙90-15=1911875 Вт
Зададимся ориентировочным значением коэффициента теплопередачи от конденсирующегося водяного пара к водному раствору Кор=1000 Вт/(м2∙К)
Тогда ориентировочная поверхность теплопередачи составит:
Fop=QKop∙∆tcp=19118751000∙48,13= 39,72 м2
Зададимся критерием Рейнольдса, значение которого будет соответствовать турбулентному режиму движения теплоносителя по трубам диаметром 25х2 мм, и при этом значении критерия Рейнольдса определим скорость движения теплоносителя по трубам . Примем Re=10000. Определим плотность и вязкость потока при его средней температуре.
Плотность 30%-го раствора соляной кислоты при 600С равна 1126 кг/м3.
Динамический коэффициент вязкости 30%-го раствора соляной кислоты при 600С составляет 1,1·10-3 Па∙с.
Тогда скорость потока в трубах составит:
w=Re∙μтdвн∙ρт=10000∙0,00110,021∙1126=0,47 м/с
Число труб на один ход составит:
nx=Gтρт∙π∙dвн24∙w=300003600∙1126∙3,14∙0,02124∙0,47=45
На основании выполненных расчетов выберем четырехходовый теплообменный аппарат типа ТН, имеющий следующие параметры:
диаметр кожуха – 0,6 м;
число труб - 206 шт.;
число труб на один ход - 51 шт.;
поверхность теплообмена – 65 м2;
длина труб – 4,0 м.
Уточненная скорость движения потока по трубам и режим движения потока:
wуточн=Gсмρсм∙π∙dвн24∙nx=300003600∙1126∙3,14∙0,02124∙51=0,43 м/с
Reист=0,43∙0,021∙11260,0011=9243
Режим движения потока по трубам переходной.
Коэффициент теплоотдачи для пара, конденсирующегося на наружной поверхности пучка горизонтальных труб, рассчитываем по формуле:
∝пар=0,728∙ε∙εt∙4λ3∙ρ2∙r∙gμ∙∆t∙dнар,
где ε - коэффициент, зависящий от числа труб по вертикали, ε=0,62;
εt-поправочная функция, учитывающая физические свойства конденсирующейся среды, для конденсирующегося водяного пара функция равна 1;
λ-коэффициент теплопроводности конденсата при температуре конденсации, λ=0,685 Вт/(м·К);
ρ-плотность конденсата при температуре конденсации, ρ=951 кг/м3;
r-удельная теплота конденсации пара, r=2234000 Дж/кг;
g-ускорение свободного падения, g=9,81 м/с2;
μ-динамический коэффициент вязкости конденсата при температуре конденсации, μ=256·10-6 Па·с;
∆t-разность между температурой конденсации пара и температурой стенки со стороны пара, (tконд-tст1), 0С;
dнар- наружный диаметр труб, dнар=0,025 м.
При температуре стенки со стороны пара, равной tст1=1050С коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенке составит:
∝пар=0,728∙0,62∙1∙40,6853∙9512∙2234000∙9,81256∙10-6∙(110-105)∙0,025=9534,15 Вт/(м2∙К)
Термические сопротивления стенки с учетом загрязнений:
rст=δстλст+rзагр1+rзагр2,
где rзагр1-термические сопротивления загрязнений со стороны водяного пара, rзагр1=1/5800 (м2·К)/Вт;
rзагр2-термические сопротивления загрязнений со стороны потока жидкости, rзагр2=1/5800 (м2·К)/Вт;
δст-толщина стенки, δст=0,002 м;
λст-теплопроводность материала стенки, для стали λст=46,5 Вт/(м·К)
rст=0,00246,5+15800+15800=3,9∙10-4(м2∙К)/Вт
Рассчитаем ориентировочное значение tст2:
tст2=tср+0,8∙∆tср=60+0,8∙48,13=98,50С
Коэффициент теплоотдачи от стенки к потоку рассчитываем через критериальное уравнение:
∝р=Nu∙λрdвн,
где dвн - внутренний диаметр труб, dвн=0,021 м;
λр-коэффициент теплопроводности раствора кислоты при средней температуре потока, Вт/(м·К).
Коэффициент теплопроводности 30%-го раствора соляной кислоты при 600С составит 0,49 Дж/(кг∙К).
Коэффициент теплоотдачи для жидкости при переходном режиме ее движения в трубах теплообменника рассчитываем на основе критериального уравнения:
Nu=0,022∙Re0,8∙Pr0,4∙μμст0,14,
где Pr-значение критерия Прандтля для раствора кислоты при 600С;
μствязкость раствора кислоты при температуре стенки, Па·с; μст=0,7·10-3 Па∙с
Pr=Ср∙μрλр=3059∙0,00070,49=4,37
Тогда критерий Нуссельта равен:
Nu=0,022∙92430,8∙4,370,4∙1,1∙10-30,7∙10-30,14=62,91
∝р=62,91∙0,490,021=1467,9 Вт/(м2∙К)
Рассчитываем коэффициент теплопередачи в проектируемом теплообменнике:
К=11αп+rст+1αр=119534,15 +3,9∙10-4+11467,9=850,25 Вт/(м2∙К)
На основании рассчитанного значения коэффициента теплопередачи определяем требуемую площадь поверхности теплообмена:
Fтреб=QК∙∆tcp=1911875850,25∙48,13=46,72 м2
На основании выполненных расчетов принимаем четырехходовый теплообменный аппарат типа ТН, имеющий следующие параметры:
диаметр кожуха – 0,6 м;
число труб - 206 шт.;
число труб на один ход - 51 шт.;
поверхность теплообмена – 65 м2;
длина труб – 4,0 м;
площадь трубного пространства – Sтр=0,018 м2;
площадь межтрубного пространства - Sмтр=0,045 м2;
диаметр труб – d=25x2 мм.
Запас поверхности теплообмена составляет:
∆Fзапас=Fт/о-FтребFтреб∙100=65-46,7246,72∙100=39,1%.