Провести тепловой расчет и подобрать кожухотрубный теплообменник-конденсатор (по ГОСТ 15118-79, 15119-79, 15121-79, 14246-79 и 14247-79) для осуществления процессов нагревания водных растворов и индивидуальных жидкостей насыщенным водяным паром или для конденсации насыщенных паров органических жидкостей технической водой. Конденсат пара отводится при температуре конденсации.
Рис. 4.1- Принципиальная схема кожухотрубчатого теплообменника-
конденсатора
№ варианта Состав водного раствора Производительность по раствору (жидкости), G, т/ч Начальная температура, tH, 0C Давление в трубном пространстве, Р, ата
7 Н2SO4, 60% 24 14 1,0
Примечания:
1 – нагреваемая среда направляется в трубную зону теплообменника, греющий агент – в межтрубную зону аппарата;
2 – в качестве греющего агента использовать насыщенный водяной пар с температурой на 15–20°С выше температуры кипения нагреваемой среды;
3 – раствор подогревается до температуры кипения;
4 – давление греющего пара выбрать самостоятельно.
Решение
Температура кипения воды при атмосферном давлении составляет 1000С. Принимаем температуру греющего пара, используемого для нагрева водного раствора серной кислоты до температуры кипения, равной 1200С, что соответствует его давлению 0,198 МПа. Потери теплоты в окружающую среду примем в размере 5% от полезной теплоты.
Раствор серной 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 серной кислоты: 14→1000С
Водяной пар: 120→1200С
tб=120-14=1060С
tм=120-100=200С
tб/tм=106/20=5,3
Отношение tб/tм>2, значит, средняя движущая сила будет рассчитана как среднелогарифмическая:
∆tср=∆tб-tмln∆tб∆tм=106-20ln10620=51,570С
Рассчитаем среднюю температуру раствора tср и температуру пленки конденсата tпл.
tпл=Тгорст+tст12,
где Тгорст-средняя температура горячего теплоноситедя; Тгорст=Тпара=1200С;
tст1-температура стенки со стороны горячего теплоносителя, 0С:
tст1=Тгорст-0,1∙∆tcp=120-0,1∙51,57≈1150С
tпл=120+1152=117,5≈1180С
tср=tпл-∆tcp=118-51,57=66,4≈660С
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 с давлением 0,198 МПа составляет 2207 кДж/кг.
Удельная теплоемкость 60%-го водного раствора серной кислоты при его средней температуре в аппарате 660С составляет 2260 Дж/(кг∙К).
Определим расход греющего пара:
Gпар=1,05∙24000∙2260∙(100-14)3600∙2207000=0,616кгс=2218кгч
Определим тепловую нагрузку теплообменного аппарата:
Q=240003600∙2260∙100-14=1295733 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=12957331000∙51,57= 25,13 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 60%-го раствора серной кислоты при 660С равна 1461 кг/м3.
Динамический коэффициент вязкости 60%-го раствора серной кислоты при 660С составляет 2,38·10-3 Па∙с.
Тогда скорость потока в трубах составит:
w=Re∙μтdвн∙ρт=10000∙0,002380,021∙1461=0,78 м/с
Число труб на один ход составит:
nx=Gтρт∙π∙dвн24∙w=240003600∙1461∙3,14∙0,02124∙0,78=17
На основании выполненных расчетов выберем шестиходовый теплообменный аппарат типа ТН, имеющий следующие параметры:
диаметр кожуха – 0,6 м;
число труб - 196 шт.;
число труб на один ход - 33 шт.;
поверхность теплообмена – 31 м2;
длина труб – 2,0 м.
Уточненная скорость движения потока по трубам и режим движения потока:
wуточн=Gсмρсм∙π∙dвн24∙nx=240003600∙1461∙3,14∙0,02124∙33=0,4 м/с
Reист=0,4∙0,021∙14610,00238=5156
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=0,686 Вт/(м·К);
ρ-плотность конденсата при температуре конденсации, ρ=943 кг/м3;
r-удельная теплота конденсации пара, r=2207000 Дж/кг;
g-ускорение свободного падения, g=9,81 м/с2;
μ-динамический коэффициент вязкости конденсата при температуре конденсации, μ=231·10-6 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=1150С коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенке составит:
∝пар=0,728∙0,62∙1∙40,6863∙9432∙2207000∙9,81231∙10-6∙(120-115)∙0,025=9981,57 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=66+0,8∙51,57=1070С
Коэффициент теплоотдачи от стенки к потоку рассчитываем через критериальное уравнение:
∝см=Nu∙λсмdвн,
где dвн - внутренний диаметр труб, dвн=0,021 м;
λт-коэффициент теплопроводности раствора кислоты при средней температуре потока, Вт/(м·К).
Коэффициент теплопроводности 60%-го раствора серной кислоты при 660С составит 0,25 Дж/(кг∙К).
Для выбора критериального уравнения для расчета критерия Нуссельта, определяем предварительно произведение комплекса (Gr·Pr), для чего рассчитываем критерии Грасгофа и Прандтля
Задать вопрос
на новый заказ в Автор24.
