Пример расчета кожухотрубного теплообменника

Пример расчета кожухотрубного теплообменника

Исходные данные.

   Рассчитать кожухотрубчатый теплообменник для нагревания 10000 кг/час метилового спирта от 15 до 40 С. Нагревание осуществляется водой, которая охлаждается от 90 до 40С . Движение теплоносителей противоточное. Вода движется в межтрубном пространстве.

         Моделирование теплообменного аппарата в программе  СhemCad включает ряд последовательных шагов, которые рассмотрены ниже.

1 Этап:

Первым этапом выполнения задачи является составление схемы процесса в рабочем окне программы.

     Схема составляется путём перемещения необходимых пиктограмм, соответствующих  аппаратам и технологическим операторам, из главной палитры, расположенной в верхнем правом углу окна, в рабочую область.

Перенесём 2 пиктограммы в виде красных стрелок (входные потоки), а также 2 пиктограммы в виде синих стрелок (выходные потоки) и пиктограмму, которая соответствует двухпоточному теплообменнику в рабочее окно.

Установим связи между потоками и теплообменником. Для этого выберем на технологической карте пиктограмму Stream (Поток), и соединим соответствующие потоки и входы(выходы) теплообменника.

Простейшая схема процесса готова.

2 Этап:

На 2 этапе происходит выбор компонентов и задание параметров потоков.

Выбор компонентов:

Чтобы выбрать компоненты нужно  в меню ThermoPhysical выбрать команду Component List. Появится следующее окно:

       

В списке компонентов, имеющихся в базе данных (Component Databank) находим воду (62 Water) и метанол (117 Methanol) и нажимаем клавишу Add (Добавить). Также можно ввести Н2О в строке Search for и программа сама найдёт нужный компонент в базе данных.

Задание параметров потоков:

После того, как компоненты выбраны необходимо задать параметры потоков.

Для этого необходимо щёлкнуть правой кнопкой мыши на пиктограмме теплообменника и выбрать Edit Unit Op Streams (Редактировать потоки). Появится окно:

В нём мы зададим температуры потоков, давление потоков, расход метанола.

Для того, чтобы рассчитать расход воды необходимо ввести любое значение отличное от нуля, а затем щёлкнуть правой кнопкой мыши на пиктограмме теплообменника и выбрать Edit Unit Op Data. Появится окно:

В нём мы должны ввести температуры 3 и 4 потоков (Temperature stream 3,4), а также в строке Utility option указать условие Calculate flow of stream 2 (Рассчитать поток 2).Затем нажать ОК и щёлкнуть правой кнопкой мыши на пиктограмме теплообменника и выбрать Run This Unit Op. Программа рассчитает расход воды (3046.267 кг/час).

         Затем нужно щёлкнуть правой кнопкой мыши на теплообменник и выбрать Run This Unit Op  (Рассчитать выбранное оборудование), а затем войти Sizing -> Shell & Tube. Появится окно:

          Необходимо зайти в General Specifications (Общая спецификация). Появится окно:

           В строке Calculation mode (Расчётный режим) выберем Design (Проектный расчёт).

В строке Process type (Тип процесса) выберем для Tube Side (трубного пространства) и для Shell Side (межтрубного пространства) Sensible Flow (режим без агрегатного изменения  состояния потоков). Нажмём ОК. Следующее окно:

             В нём мы зададим параметры: Prefer tube length/shell diameter ratio (Предпочтительное отношение длины труб к диаметру кожуха), а также нижние и верхние пределы основных размеров (Lower Limits, Upper Limits): Tube Length (Длина труб)  2.4384 – 4 м; Shell Diameter (Диаметр кожуха) 0.2 – 0.4 м; Baffle Cut (Вырез перегородки)  15 – 45 %; Baffle Spacing (Расстояние между перегородками) 0.0508 – 3.175 м. Ввод данных закончен.  Нажмём ОК.

Для запуска расчета выберем команду Calculate меню Shell & Tube Exchanger. В нашем примере программа выполняет 5 итераций и сообщает о завершении расчета.

Расчет закончен

3 Этап:

3 этапом является получение и представление результатов.

Чтобы вывести на экран графики необходимо выбрать Plot. Затем появится окно, которое выглядит следующим образом: 

Выведем с помощью этого окна все графики:

По этим графикам можно проследить изменение температур, коэффициентов теплопередачи по теплообменнику, также видно какая площадь поверхности приходится на каждую зону теплообменника и т.д.

Для вывода результатов нужно зайти View Results -> Tabulated Data.

Это сводная таблица результатов. В ней указаны рассчитанные коэффициенты, размеры элементов аппарата, число труб, перегородок, скорости потоков и главное значение, необходимое для подбора теплообменника – площадь поверхности теплообмена Area Required = 21,7 m2.