Рассчитать и подобрать нормализованный кожухотрубчатый теплообменник для нагревания хлороформа от t1н=240С до t1к=500С при его массовом расходе G1=14 т/ч

Для последующих расчетов принимаем, что хлороформ поступает в трубное пространство проектируемого теплообменника (индекс «1»), а горячая вода подается противотоком в межтрубное пространство (индекс «2») и определяем среднюю разность температур в теплообменнике.
Вода: 92→700С
Хлороформ: 50←240С
tб=70-24=460С
tм=92-50=420С
tб/tм=46/42=1,095
Отношение tб/tм2, значит, среднюю движущую силу рассчитываем как среднеарифметическую:
∆tср=∆tб+tм2=46+422=440С
Средняя температура воды в теплообменнике:
tср2=(tн2+ tк2)/2=(92+70)/2=810С
Средняя температура хлороформа в теплообменнике:
tср1= tср2-∆tср=81-44=370С
Расход хлороформа в теплообменнике: G1=14 т/ч=3,889 кг/с
Согласно справочным данным находим, что удельная теплоемкость хлороформа при его средней температуре в теплообменнике (370С) равна 964 Дж/(кг·0С). Тогда количество теплоты, которое необходимо подвести к нагреваемому раствору, будет равно (с учетом потерь теплоты в размере 5%):
Q=1,05·G1·c1·(t1к-t1н)=1,03·3,889·964·(50-24)=169025 Дж/с=102347,59 Вт
Определяем массовый расход горячей воды:
G2=Qcв∙(t2н-t2к)=102347,594190∙(92-70)=1,11кгс,
где cв=4190 Дж/(кг·0С) – теплоемкость воды при ее средней температуре в теплообменнике (810С).
Зададимся ориентировочным значением коэффициента теплопередачи от раствора органического вещества к воде Кор=350 Вт/(м2∙К)
Тогда ориентировочная поверхность теплопередачи составит:
Fop=QKop∙∆tcp=102347,59350∙44=6,6 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=20000. Определим плотность и вязкость потока при его средней температуре.
Плотность хлороформа при 370С составляет ρ1=1455,85 кг/м3
Вязкость хлороформа при 370С составляет μ1=0,479·10-3 Па·с
Коэффициент теплопроводности хлороформа при 370С составляет λ1=0,116 Вт/(м·К).
Тогда скорость потока в трубах составит:
w=Re∙μхdвн∙ρх=20000∙0,000479 0,021∙1455,85=0,31 м/с
Число труб на один ход составит:
nx=G1ρ1∙π∙dвн24∙w=3,8891455,85∙3,14∙0,02124∙0,31=24,89
На основании выполненных расчетов выберем двухходовой теплообменный аппарат типа ТН, имеющий следующие параметры:
диаметр кожуха (наружный) – 0,325 м;
число труб - 56 шт.;
число труб на один ход – 28 шт.;
поверхность теплообмена – 9 м2;
длина труб – 2,0 м;
площадь прохода по трубному пространству – Sт=0,01 м2;
площадь проходного сечения между трубами в вырезе перегородки – Sвп=0,013 м2;
площадь проходного сечения в межтрубном пространстве между перегородками – Sмп=0,015 м2.
Истинная скорость движения потока по трубам и режим движения потока:
wист=G1ρ1∙π∙dвн24∙nx=3,8891455,85∙3,14∙0,02124∙28=0,28
Reист=0,28∙0,021∙1455,850,000479=17871,40
Режим движения потока по трубам турбулентный.
Для расчета коэффициента теплоотдачи нагреваемого раствора предварительно рассчитываем критерий Нуссельта по формуле, соответствующей турбулентному течению жидкости в прямых трубах и каналах:
Nu=0,021∙Re0,8∙Pr0,43,
где -критерий Прандтля при средней температуре потока;
Pr=с1∙μ1λ1=964∙0,0004790,116=3,981
Тогда получим:
Nu1=0,021∙17871,400,8∙3,9810,43=95,93
∝1=95,93∙0,1160,021=529,90 Вт/(м2∙К)
Согласно справочным данным находим, что вязкость воды при ее средней температуре в теплообменнике 810С равна 0,3521·10-3 Па·с, плотность – 971,3 кг/с
Определяем режим движения горячей воды в теплообменнике.
Площадь сечения межтрубного пространства:
Sмт=Sвп∙Sмп=0,013∙0,015=0,014 м2
Скорость и критерий Рейнольдса для горячей воды:
w2=V2Sмт=G2/ρ2Sмт=1,11/971,30,014=0,08 м/с
Re2=w2∙dнар∙ρ2μ2=0,08∙0,025∙971,30,3521∙10-3=5517,18
Следовательно, режим движения воды в межтрубном пространстве теплообменника – турбулентный.
Коэффициент теплоотдачи для горячей воды при Re>1000 рассчитываем по формуле, применяемой для случая поперечного обтекания пучка гладких труб