Тепловой расчёт одноходового кожухотрубного теплообменного аппарата

ТЕПЛОВОЙ РАСЧЁТ ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА

Задание. В одноходовом кожухотрубном теплообменном аппарате горячий теплоноситель движется в межтрубном пространстве и охлаждается от температуры  = 160 °С до  = 80 °С.

Внутренний диаметр кожуха аппарата D=300·10^{-3 м}. Холодный теплоноситель движется внутри металлических трубок. Холодный теплоноситель нагревается от  = 40 °С до  = 70 °С.

Число трубок в теплоносителе n = 93. Трубки  теплообменника с внутренней стороны покрыты отложениями (накипью) толщиной δ_нак = 0,8·10^{-3 м. Тепловая мощность, вносимая  в ТОА} Q_вн = 570 кВт. Потери теплоты в окружающую среду составляют (1-η)∙100 %.

Определить поверхность нагрева F и число секций N теплообменника. Длина секций l_с = 5 м.

Расчёт провести для прямоточного и противоточного направлений теплоносителей, а также при наличии накипи на трубах  и при её отсутствии.

Известно также:

Внутренний диаметр трубок                                 d_в = 13·10^{-3 м;}

Коэффициент теплопроводности

материала трубок                                                   λ_с = 45·10^{-3 м;}

холодный теплоноситель                                      мазут

наружный диаметр трубок                                    d_н = 16·10^{-3 м;}

Коэффициент теплопроводности

накипи                                                                     λ_нак = 1,3·10^{-3 м;}

горячий теплоноситель                                         вода

Ориентация трубного пучка в

пространстве                                                           горизонтальная.

Конструктивный тепловой расчёт ТОА

1. Тепловая мощность, полученная холодным теплоносителем:

2. Температурный перепад между теплоносителями на концах аппарата, прямоток ↑↑:

противоток ↓↑:

3. Температурные напоры для прямотока и противотока:

при      :          ;

при      :          .

В данном случае:

для прямотока  ;

следовательно

для противотока  ;

следовательно

4. Изменение температуры по длине аппарата:

;

.

5. Средние температуры горячего и холодного теплоносителей:

;

.

6. Теплофизические свойства горячего и холодного теплоносителей выписываем из [1], используя при необходимости линейную интерполяцию.

Графики изменения температуры теплоносителей по длине аппарата:

а) прямоток                                         б) противоток

Горячий теплоноситель – вода

Выписываем значения параметров при найденной средней температуре 120°С:

средняя плотность                                      

коэффициент теплопроводности               

удельная теплоёмкость                                С_р1 = 4,25 кДж/(кг·К);

кинематическая вязкость                           

коэффициент объёмного расширения         

число Прандтля                                            Pr₁ = 1.47.

Холодный теплоноситель – мазут

Выписываем значения параметров при найденной средней температуре 55°С:

средняя плотность                                      

коэффициент теплопроводности               

удельная теплоёмкость                                С_р2 = 2,56 кДж/(кг·К);

кинематическая вязкость                           

коэффициент объёмного расширения         

число Прандтля                                            Pr₂ = 2,34.

7. Проходные сечения горячего и холодного теплоносителей:

8. Скорости движения теплоносителей:

9. Эквивалентные диаметры:

;

10. Число Рейнольдса для горячего и холодного теплоносителя:

11. Температура стенки (в первом приближении):

12. Найдём числа Прандтля для теплоносителей при температуре стенки. Теплофизические свойства теплоносителей выписываем из [1], используя при необходимости линейную интерполяцию.

Горячий теплоноситель – вода.

Выписываем значения параметров при температуре стенки 87,5 °С:

средняя плотность                                       р_ст1 = 967 кг/м³;

коэффициент теплопроводности               

удельная теплоёмкость                                С_рст1 = 4,205 кДж/(кг·К);

кинематическая вязкость                           

коэффициент объёмного расширения         

число Прандтля                                            Pr_ст1 = 2,04.

Холодный теплоноситель – мазут.

средняя плотность                                       р_ст2 = 960 кг/м³;

коэффициент теплопроводности               

удельная теплоёмкость                                С_рст2 = 2,64 кДж/(кг·К);

кинематическая вязкость                           

коэффициент объёмного расширения         

число Прандтля                                            Pr_ст2 = 0,98.

13. Температурный напор:

14. Числа Грасгофа для теплоносителей:

для горячего теплоносителя

для холодного теплоносителя

     

15. Определим режимы течения и выберем формулу для числа Нуссельта:

Горячий теплоноситель

Re₁=4992, Pr₁=1,47, Pr_ст1=2,04, Gr₁=0,22·10⁹

Так как 2300<Re<10⁴ , режим течения – переходный, число Нуссельта вычисляется по формуле:

Холодный теплоноситель

Re₂=54209, Pr₂=2,34, Pr_ст2=0,98, Gr₂=9,28·10⁶

Так как Re>10⁴ , режим течения – турбулентный, число Нуссельта вычисляется по формуле:

16. Коэффициенты теплоотдачи для горячего и холодного теплоносителей:

17. Коэффициенты теплопередачи:

Толщина стенки трубок:

Без накипи:

.

С накипью:

18. Определим поверхности теплообмена:

Прямоток, без накипи

Противоток, без накипи

Прямоток, с накипью

Противоток, с накипью

19. Поверхность теплообмена одного погонного метра пучка:

20. Длина теплообменника:

L=F/f

21. Число секций:

Оно вычисляется по формуле     N = L / l_c,

где L-длина теплообменника, вычисленная в п.20.

Прямоток, без накипи

N=8,33 / 5 = 1,66. Принимаем N=2;

Противоток, без накипи

N=5,981 / 5 = 1,196. Принимаем N=2;

Прямоток, с накипью

N=8,495 / 5 = 1,699. Принимаем N=2;

Противоток, с накипью

N=6,099 / 5 = 1,22. Принимаем N=2.

22. Сводная таблица результатов теплового расчёта:

Наименование величины		Схема движения теплоносителя
		прямоток	противоток
Средний температурный напор, °С		44,3	61,7
Коэффициент теплопередачи К, кВт/(м2·К)	без накипи	0,361
	с накипью	0,354
Поверхность нагрева F, м2	без накипи	35,286	25,335
	с накипью	35,984	25,836

Литература

1.  Тепловой расчёт теплообменного аппарата. Методические указания к расчётно – графической работе по курсу «Теплопередача» для студентов дневной, вечерней  и заочной формы обучения / В.В. Кузнецова, В.А. Симаков, В.В.Репин; Уфимс. нефт. институт, 1991 – 30 с.

2.  Термодинамические процессы с идеальными углеводородными смесями: Учеб. пособие / Ф.Ф.Абузова, Р.А.Молчанова, М.А.Гиззатов;Уфим. нефт. институт, 1990 – 59 с.

3.  Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомол А.С. Теплопередача. – М.: Высшая школа, 1964 – 459с.