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

Согласно справочным данным, температура кипения 20%-го раствора хлорида магния при атмосферном давлении составляет 1070С. Принимаем температуру греющего пара, используемого для нагрева водного раствора соли до температуры кипения, равной 1250С, что соответствует его давлению 0,237 МПа. Потери теплоты в окружающую среду примем в размере 5% от полезной теплоты.
Раствор соли 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: 18→1070С
Водяной пар: 125→1250С
tб=125-18=1070С
tм=125-107=180С
tб/tм=107/18=5,94
Отношение tб/tм>2, значит, средняя движущая сила будет рассчитана как среднелогарифмическая:
∆tср=∆tб-tмln∆tб∆tм=107-18ln10718=49,930С
Рассчитаем среднюю температуру раствора tср и температуру пленки конденсата tпл.
tпл=Тгорст+tст12,
где Тгорст-средняя температура горячего теплоноситедя; Тгорст=Тпара=1250С;
tст1-температура стенки со стороны горячего теплоносителя, 0С:
tст1=Тгорст-0,1∙∆tcp=125-0,1∙49,93≈1200С
tпл=125+1202=122,5≈1230С
tср=tпл-∆tcp=123-49,93=73,07≈730С
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 1250С составляет 2194 кДж/кг.
Удельная теплоемкость 20%-го водного раствора хлорида магния при его средней температуре в аппарате 730С составляет 3100 Дж/(кг∙К).
Определим расход греющего пара:
Gпар=1,05∙16000∙3100∙(107-18)3600∙2194000=0,587кгс=2113кгч
Определим тепловую нагрузку теплообменного аппарата:
Q=160003600∙3100∙107-18=1226222 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=12262221000∙49,93= 24,56 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 20%-го раствора хлорида магния при 730С равна 1193 кг/м3.
Динамический коэффициент вязкости 20%-го раствора хлорида магния при 730С составляет 0,39·10-3 Па∙с.
Тогда скорость потока в трубах составит:
w=Re∙μтdвн∙ρт=10000∙0,0003900,021∙1193=0,16 м/с
Число труб на один ход составит:
nx=Gтρт∙π∙dвн24∙w=160003600∙1193∙3,14∙0,02124∙0,16=67
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 – 32 м2;
длина труб – 2,0 м.
Уточненная скорость движения потока по трубам и режим движения потока:
wуточн=Gсмρсм∙π∙dвн24∙nx=160003600∙1193∙3,14∙0,02124∙51=0,21 м/с
Reист=0,21∙0,021∙11930,00039=13490
Режим движения потока по трубам турбулентный.
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=0,686 Вт/(м·К);
ρ-плотность конденсата при температуре конденсации, ρ=939 кг/м3;
r-удельная теплота конденсации пара, r=2194000 Дж/кг;
g-ускорение свободного падения, g=9,81 м/с2;
μ-динамический коэффициент вязкости конденсата при температуре конденсации, μ=222·10-6 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=1200С коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенке составит:
∝пар=0,728∙0,62∙1∙40,6863∙9392∙2194000∙9,81222∙10-6∙(125-120)∙0,025=9783,85 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=73+0,8∙49,93=1130С
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 соли при средней температуре потока, Вт/(м·К).
Коэффициент теплопроводности 20%-го раствора хлорида магния при 730С составит 0,55 Дж/(кг∙К).
Коэффициент теплоотдачи для жидкости при турбулентном режиме ее движения в трубах теплообменника рассчитываем на основе критериального уравнения:
Nu=0,021∙Re0,8∙Pr0,43∙PrPrст0,25,
где Pr-значение критерия Прандтля для раствора соли при 730С;
Prст-значение критерия Прандтля для раствора при температуре стенки (1130С).
Pr=Ср∙μрλр=3100∙0,0003900,55=2,20
Prст=Ср∙μрλр=3230∙0,0002510,60=1,35
Тогда критерий Нуссельта равен:
Nu=0,021∙134900,8∙2,200,43∙2,201,350,25=67
∝р=67∙0,550,021=1754,76 Вт/(м2∙К)
Рассчитываем коэффициент теплопередачи в проектируемом теплообменнике:
К=11αп+rст+1αр=119783,85 +3,9∙10-4+11754,76=941,54Вт/(м2∙К)
На основании рассчитанного значения коэффициента теплопередачи определяем требуемую площадь поверхности теплообмена:
Fтреб=QК∙∆tcp=1226222941,54∙49,93=26 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 – 32 м2;
длина труб – 2,0 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=32-2626∙100=23,1%.