Расчет кожухотрубчатого теплообменника. Технологический и механический расчет

3. РАСЧЕТ КОЖУХОТРУБЧАТОГО ТЕПЛООБМЕННИКА

Исходные данные для расчета приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1 – Исходные данные

Параметры  теплоносителей	Обозначение	Единица измерения	ТВГ	Вода
Массовый расход	Gm	кг/ч	37 000	90 000
Объемный расход	Gv	м3/ч	45	90
Температура входа	tн	0С	200	25
Температура выхода	tк	0С	90
Плотность	ρ	кг/м3	830	996
Вязкость кинематическая	γ	м2/с	0,000004226	0,000000801
Теплоёмкость	с	Дж/(кг∙К)	2 289	4 178
Теплопроводность	λ	Вт/(м∙К)	0,140	0,616

3.1 Технологический расчет

3.1.1 Тепловой расчет

Т.к. агрегатное состояние теплоносителя не меняется, то тепловую нагрузку можно рассчитать по формуле:

Q =  G₁ ∙ с₁ (t_1н  - t_1к),          (3.1)

где G₁ – массовый расход гудрона;

С₁ – удельная теплоёмкость горячего теплоносителя;

t_1н  – начальная температура гудрона;

t_1к  – конечная температура гудрона.

 Q = 10,3 кг/с ∙ 2289 Дж/(кг∙К)∙(200 - 90) = 2593437Вт.

Конечную температуру воды определяем по формуле:

                                                                   (3.2)

где  G₂ – массовый расход воды;

С₂ – удельная теплоемкость воды;

t_2н  – начальная температура воды.

   ⁰С.

Действительная средняя разность температур определяется по формуле:

                      ,             (3.3)

где  – большая разность температур теплоносителей;

 – меньшая разность температур теплоносителей.

Ориентировочная площадь поверхности теплообмена определяем по формуле:

;              (3.4)

где  К_ср = 120 ÷ 270 Вт/м²∙К - ориентировочный коэффициент теплопередачи,  для теплообмена от жидкости к жидкости (углеводороды, масла).

   

Теперь необходимо выбрать теплообменный аппарат. Так как разность температур между гудроном и водой значительна, то по ГОСТ 12246-79 необходимо подобрать кожухотрубчатый теплообменник с плавающей головкой. Параметры выбранного теплообменника приведены в таблице 3.2.

Таблица 3.2 – Параметры теплообменника

Диаметр кожуха, D	600 мм
Диаметр труб, d	25х2
Число ходов,  z	4
Длина труб , L	6 м
Поверхность теплообмена,  F	94 м2
Площадь сечения одного хода по трубам,  Sтр	0,016м2
Площадь самого узкого  сечения в межтрубном пространстве,Sу.с.	0,074 м2

Далее осуществляем уточненный расчет поверхности теплообмена.

В расчётах примем, что в трубное пространство будет подаваться горячий теплоноситель (ТВГ). Холодный теплоноситель будет подаваться в межтрубное пространство.

Сначала определяемый коэффициент теплоотдачи для ТВГ, движущегося в трубном пространстве.

Критерий Рейнольдса будет равен:

                                                                         (3.5)

где d = 0,021 – внутренний диаметр трубки .

.

Так как 2300<Re₁<10000, то режим движения ТВГ по трубам – переходный.

Критерия Прандтля будет равен:

 

В переходном режиме надежных расчетных формул для определения критерия Нусельта нет. Приближенный расчет можно выполнить по графику, приведенному в /5/.

.

Определение коэффициента теплоотдачи  ТВГ:

Затем определяем  коэффициент теплоотдачи воды, движущейся по межтрубному пространству

Критерий Рейнольдса равен:

Так как Re₂ > 10000, то режим движения воды по межтрубному пространству – турбулентный.

Критерий Прандтля равен:

Определение критерия Нуссельта:

Определение коэффициента теплоотдачи  воды.

Далее находим суммы термических сопротивлений и загрязнений

                           ,                              (3.6)

где δ – толщина стенки (0,002 м).

Горячий теплоноситель - ТВГ. В соответствии с таблицей 2.2 /6/, примем термическое сопротивление загрязнения  1/r_з1 = 2900 Вт/м² ∙ К.

Холодный теплоноситель - вода. В соответствии с таблицей 2.2. /6/, примем термическое сопротивление загрязнения 1/r_з2 = 1400 Вт/м² ∙ К.

С эксплуатационной точки зрения, в качестве материала для трубного пучка выгоднее взять сталь нержавеющую, с теплопроводностью λ_ст = 17,5 Вт/м² ∙К.

Коэффициент теплопередачи равен:

Определяем температуры стенок и среднюю температуру стенки трубы:

t_ст1 = t_ср1 – КDt_ср/a₁ = 139,1 – 315,9∙101,7/575,3  = 83,2 °С;

t_ст2 = t_ср2 + КDt_ср/a₂ = 37,4 + 315,9∙101,7/3937,5 = 45,6 °С;

t_ст.ср = (t_ст1 + t_ст2)/2 = (83,2 + 45,6)/2 = 64,4 °С.

Требуемая поверхность теплообмена составит:

.

Выбранный холодильник удовлетворяет по площади поверхности с запасом:

3.1.2 Гидравлический расчет

Осуществляем расчет гидравлического сопротивления трубного пространства.

Скорость жидкости в трубах определяется по формуле:

                          ,                           (3.7)

где z – число ходов;

n – общее количество труб.

Найдём критерий Рейнольдса для определения коэффициента трения:

Режим движения жидкости в трубах - переходный, следовательно, критериальное уравнение примет вид: