Рассчитайте кожухотрубчатый теплообменник с плавающей головкой для охлаждения керосиновой фракции оборотной водой.
Параметры теплообменника: длина трубок 6 м, толщина стенок 2 мм.
Начальная и конечная температура оборотной воды равна соответственно 20 и 40 °С; теплофизические свойства воды при различных температурах даны в таблице 22.
Керосиновая фракция перекачивается под давлением 300 кПа; теплофизические свойства данного продукта даны в таблице 23.
В качестве материала труб используется латунь с коэффициентом теплопроводности 120 Вт/(м·К); термические сопротивления со стороны керосина и воды равны соответственно 0,0005 и 0,0002 м2·К/Вт.
Исходные данные для расчета приведены в таблице 24:
− расход керосиновой фракции G1=27 кг/с;
− начальная t1н=1450С и конечная t1к=550С температура керосиновой фракции.
Также определите:
− средний температурный напор;
− тепловую нагрузку холодильника;
− расход оборотной воды;
− температуру стенки со стороны горячего и холодного потоков;
− коэффициенты теплоотдачи от горячего потока к стенке и от стенки к холодному потоку;
− коэффициент теплопередачи;
− требуемую (расчетную) поверхность теплообмена;
− запас поверхности теплообмена относительно расчетной.
Решение
Рассчитываем величины разности температур теплоносителей на концах теплообменника для противотока:
∆tб =t1н–t2к =145 – 40 =105°С;
∆tм=t1к–t2н=55 – 20=35°С.
Средний температурный напор для противотока:
∆tcpпрот=∆tб-∆tмln∆tб∆tм=105-35ln10535=63,70С
Отношение перепадов температур теплоносителей:
R=∆t1∆t2=t1н-t1кt2к-t2н=145-5540-20=4,5
Степень нагрева холодного теплоносителя – оборотной воды:
Р=t2к-t2нt1н-t2н=40-20145-20=0,16
По справочной номограмме для теплообменника с одним ходом по межтрубному пространству и двумя ходами по трубному пространству согласно рассчитанным показателям R и Р определяем величину фактора противоточности ε=0,95. Тогда средний температурный напор для выбранной схемы теплообмена составит:
∆tср=63,7·0,95=60,53°С.
Рассчитываем средние температуры потоков для воды и для керосиновой фракции:
t2=t2н+t2к2=20+402=300С
t1=t2+∆tср=30+60,52=90,53°С.
Теплоемкость керосиновой фракции для рассчитанной ее средней температуры равна 2173,74 Дж/(кг·К). Тогда количество тепла, отданное в теплообменнике керосиновой фракцией, составит:
Q1=G1∙c1∙t1н-t1r=27∙2173,74∙145-55=5282178,48 Вт
Поскольку данная величина согласно уравнению теплового баланса должна быть равна количеству тепла, воспринятого холодным потоком, то можно определить требуемый расход оборотной воды:
G2=Q2c2∙t2к-t2н=5282066,7 4174∙40-20=63,27кгс
Выбираем теплообменник ВНИИнефтемаш по ТУ для кожухотрубчатых теплообменных аппаратов с плавающей головкой со следующими техническими характеристиками:
внутренний диаметр кожуха – 800 мм;
наружный диаметр труб – 25 мм;
число ходов по трубам- 4;
поверхность теплообмена – 163 м2;
площадь проходного сечения одного хода по трубам – 0,0270 м2;
площадь проходного сечения по межтрубному пространству в вырезе перегородки– 0,073 м2, между перегородками – 0,135 м2;
число труб в решетке – 346.
Расчет коэффициентов теплоотдачи от горячего потока к стенке (со стороны керосиновой фракции) и от стенки к холодному потоку (со стороны оборотной воды) начинаем с выбора температуры стенки со стороны горячего потока
. Принимаем ход по трубам для более загрязненного потока – керосиновой фракции, межтрубное пространство – для воды (о степени загрязненности в данном случае судим по величине термического сопротивления).
Принимаем величину температуры стенки со стороны горячего потока
tст1=63,57°С.
Определяем свойства керосиновой фракции при средней температуре горячего потока t и принятой температуре стенки (таблица 1).
Таблица 1 – Свойства горячего потока при температуре
Свойство t1=90,530C tст1=63,570C
ρ, кг/м3 772,14 792,14
λ, Вт/(м·К) 0,1337 0,1389
μ·10-3, Па·с
0,6099·10-3 0,8308·10-3
с1, Дж/(кг·К) 2173,74 2051,52
Определяем площадь проходного сечения по одному ходу по трубам:
Sтр=π∙dвн24∙Nn,
где dвн – внутренний диаметр трубок, м;
N – число трубок;
n – число ходов по трубам.
Sтр=3,14∙0,02124∙3464=0,030 м2
Полученное значение согласуется с табличным значением.
Объемный расход керосиновой фракции:
V1=G1ρ1=27772,14=0,035м3с
Скорость движения керосиновой фракции в трубам теплообменника:
w1=V1Sтр=0,0350,030=1,17мс
Критерий Рейнольдса:
Re1=w1∙dвн∙ρ1μ1=1,17∙0,021∙772,140,6099∙10-3=31043,85
Величина критерия Прандтля при средней температуре жидкости и стенки составит:
Pr1=c1∙μ1λ1=2173,74∙0,6099∙10-30,1337=9,91
Pr1ст=c1ст∙μ1стλ1ст=2051,52∙0,8308∙10-30,1389=12,27
Критерий Нуссельта:
Nu1=0,021∙εl∙Re10,8∙Pr10,43∙Pr1Pr1ст0,25,
где εl=1.
Nu1=0,021∙1∙31043,850,8∙9,910,43∙9,9112,270,25=209,43
Коэффициент теплоотдачи со стороны керосиновой фракции:
∝1=Nu1∙λ1dвн=209,43∙0,13370,021=1333,69Втм2∙К
Плотность теплового потока через горячий поток:
q1=∝1∙t1-t1ст=1333,69∙90,53-63,57=35956,26Втм2
Температура стенки со стороны холодного потока:
t2ст=t1ст-q1∙δλг+δλст+δλх
t2ст=63,57-35956,26∙0,0005+0,002120+0,0002=37,800С
Определяем свойства воды при средней температуре холодного потока t2 и рассчитанной (таблица 2).
Таблица 2 – Свойства холодного потока при температуре
Свойство t2=300C tст2=37,800C
ρ, кг/м3 995,70 992,97
λ, Вт/(м·К) 0,6180 0,6305
μ·10-6, Па·с
801,50·10-6 686,04·10-6
с1, Дж/(кг·К) 4174 4174,00
Объемный расход оборотной воды:
V2=G2ρ2=63,27995,70=0,064м3с
Эффективное сечение межтрубного пространства:
Sэф=Sмт.вп∙Sмт.п=0,073∙0,135=0,099 м2
Скорость оборотной воды в межтрубном пространстве составит:
w2=V2Sэф=0,0640,099=0,64мс
Коэффициент теплоотдачи (по критерию Нуссельта) от стенки к оборотной воде будем рассчитывать для случая поперечного омывания пучка труб потоком жидкости.
Величину углового коэффициента εφ для кожухотрубчатых теплообменников с перегородками рекомендуется принимать равным 0,6.
Поправочный коэффициент εs, учитывающий влияние поперечного s1 и продольного s2 шагов, не зависит от абсолютной величины шага t и может быть определен, исходя из соотношений в зависимости от схемы расположения труб
Задать вопрос
на новый заказ в Автор24.
