Реферат: Расчет кожухотрубчатого теплообменника
Название: Расчет кожухотрубчатого теплообменника Раздел: Рефераты по теплотехнике Тип: реферат | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Дано: Материальный баланс колонны: кг/с Пересчет массовых % в мольные доли: Тепловой баланс теплообменника: По табл. XLVII (П.Р., 543) По рис. XI (П.Р., 562) кал/кг×с Дж/кг×К Расход воды: кг/с (Д., 32) Ф/х свойства воды при т-ре 30С кг/м3 Вт/(м×К) Па×с Среднелогарифмическая разность температур: С Ф/х cвойства cмеси метилового спирта и воды с массовой долей метилового спирта 7% при температуре 30 С кг/м3 (т. 1-101, Перри, 51) Коэффициент динамической вязкости смеси рассчитывается по уравнению Томаса (ф. 1-91, Перри, 26): , где , температура смеси; постоянная вязкости, определяемая путем суммирования атомных и структурных составляющих смеси. Для смеси метиловый спирт-вода, (т. 1-14, Перри, 26) Таким образом, Па×с Коэффициент теплопроводности смеси органических жидкостей и воды с достаточной степенью точности можно посчитать по уравнению Краго (1-70, Перри, 22): , где относительная плотность смеси жидкостей по воде, равная в данном случае 0.99 Таким образом Удельную теплоемкость растворов органических жидкостей можно посчитать по методу Джонсона и Хуанга с помощью аддитивных составляющих (т. 1-7, Перри, 15). Для смеси вода-метиловый спирт при содержании спирта 7% по массе, теплоемкость практически равна теплоемкости воды при т-ре 30 градусов, или равна Дж/(кг×К) (р. XI, П.Р., 562) Пустим спирт по трубам, а воду – в межтрубном пространстве. Объемный расход спирта и воды: м3 /с (П.Р, 216) м3 /с (П.Р, 216) Согласно т.4.8 (П.Р., 172) минимальное значение Kop для турбулентного режима составляет 250 Вт/(м×К) Ориентировочная поверхность составляет: м2 м2 В теплообменных трубах 25х2 мм по ГОСТ 15120-79 скорость течения спирта при Re1 >10000 должна быть не менее: м/c (П.Р, 216) Проходное сечение трубного пространства должно быть не менее: м2 Кожухотрубчатый холодильник наименьшего диаметра 159 мм с числом труб 13 имеет площадь 0.5×10-2 м2 (табл. 4.12, П.Р,215). Следовательно турбулентное течение спирта можно обеспечить только в аппарате с меньшим диаметром трубного пространства, т.е. в теплообменнике "труба в трубе". Вариант 1. Теплообменник "труба в трубе" (ГОСТ 9930-78). 1.1 Рассмотрим аппарат, изготовленный из труб 89х4 мм (наружная) и 57х3.5 (внутренняя). Скорость спирта в трубах для обеспечения турбулентного движения должна быть не менее: м/c (П.Р.,216) Число параллельно работающих труб 57х3.5 мм, при этом (П.Р.,217) Примем n=2. Определим критерий Рейнольдса и скорость для спирта: м/с (П.Р.,217) (П.Р., 217) Критерий Рейнольдса соответствует турбулентному движению. Для воды: (П.Р.,217) где 0.024 – эквивалентный диаметр, равный 0.081-0.057 1.2. Составим схему процесса теплопередачи. По табл. 4.1 (П.Р., 151) находим, что теплоотдача для спирта и воды (турбулентный режим у обеих жидкостей) описывается ур. 4.17. (П.Р., 154) Коэффициент примем равным 1. Ввиду того, что температуры стенок со стороны спирта и воды пока неизвестны, примем сомножитель равным единице для обоих потоков. а) Коэффициент теплоотдачи для спирта: Критерий Прандтля для спирта при 25.9 градусах (П.Р., 217) Критерий Нуссельта для спирта: Коэффициент теплоотдачи от спирта к стенке: Вт/(м2 ×К) (П.Р., 217) б) Коэффициент теплоотдачи для воды. Критерий Прандтля для воды при 30 градусах. Критерий Нуссельта для воды: Коэффициент теплоотдачи от стенки к воде: Вт/(м2 ×К) Термическое сопротивление стенки и загрязнений (табл. XXXI, П.Р.,531) Примем коэффициент теплопроводности материала стенки, равным коэффициенту теплопроводности стали, то есть равным 46.5 м2 ×К/Вт Величина тепловой проводимости 1860 выбрана из расчета загрязненной воды, так как смесь в трубе представляет собой воду с примесью органической жидкости. Коэффициент теплопередачи: Вт/(м2 ×К) Поверхностная плотность теплового потока: Вт/м2 1.3. Определим ориентировочно значения и , исходя из того, что , где сумма Найдем: (П.Р., 218) Следовательно: Введем поправку в коэффициенты теплоотдачи: Критерий Прандтля для спирта при Критерий Прандтля для воды при Уточненный коэффициент теплоотдачи для спирта: Уточненный коэффициент теплоотдачи для воды: Исправленные значения : Вт/(м2 ×К) Вт/м2 Расчетная площадь поверхности теплопередачи: м2 С запасом 10%: м2 Поверхность теплообмена одного элемента длиной 6 м.: м2 Число элементов в каждой из двух секций (ветвей): шт. Общее число элементов: шт. Вариант 2. Кожухотрубчатый холодильник диаметром 159 мм с трубами 25х2 мм (ГОСТ 15120-79) Скорость и критерий Рейнольдса для спирта: м/с Скорость и критерий Рейнольдса для воды: м/с где 0.9×10-2 - проходное сечение межтрубного пространства между перегородками по ГОСТ 15120-79. где 0.025 – наружный диаметр труб, определяющий линейный размер при поперечном обтекании. Вариант 2 Кожухотрубчатый холодильник диаметром 159 мм с трубками 25х2 мм (ГОСТ 15120-79) Скорость и критерий Рейнольдса для спирта: м/с Скорость и критерий Рейнольдса для воды: м/с где - проходное сечение межтрубного пространства между перегородками по ГОСТ 15120-79. Для потока в трубах при Re1 < 10000 значение tc т .1. влияет на выбор расчетной формулы через произведение GrPr. Зададимся значениями температур стенки, исходя из того, что Примем исходя из предыдущего расчета (теплообменник "труба в трубе") а) коэффициент теплоотдачи для воды (Re2 = 8671.6) При поперечном омывании потоком трубного пучка при Re > 1000 рекомендуется соотношение Примем = 0.6 (157, П.Р.). Критерий Прандтля для спирта: Тогда Вт/(м2 ×К) б) Коэффициент теплоотдачи для спирта (Re1 = 6873) Для выбора расчетной формулы определим произведение (PrGr) при определяющей температуре – средней температуре пограничного слоя. (П.Р., 154) С Физические свойства спирта при температуре 27.5С: кг/м3 (т. 1-101, Перри, 51) Па×с Дж/(кг×К) (р. XI, П.Р., 562)
Для определения Nu2 при данном соотношении и Re > 3500 воспользуемся табл. 4.4 (П.Р.,155) В данных пределах критерий Нуссельта по формуле 4.28 (П.Р., 155) , где n = 0.11 при нагревании, n=0.25 при охлаждении. В нашем случае n=0.25. динамический коэффицент вязкости смеси при температуре стенки. В нашем случае можно принять равным динамическому коэффициенту вязкости при температуре смеси. Вт/(м2 ×К) Коэффициент теплопередачи: Вт/(м2 ×К) Поверхностная плотность теплового потока: Вт/м2 Уточним значения Окончательно и Расчетная площадь поверхности теплопередачи: м2 . С запасом 10% м2 Принимаем к установке аппараты длиной 3 м (ГОСТ 15120-79 (П.Р.,215). Площадь поверхности теплообмена одного аппарата по среднему диаметру труб: м2 Необходимое число аппаратов: Примем N = 9. Запас поверхности при этом составляет: % Таким образом видно, что первый вариант теплообменника ("труба в трубе") имеет меньшую металлоемкость и большее число Рейнольдса по сравнению с кожухотрубчатым теплообменником. Проведем расчет экономических параметров теплообменника "труба в трубе". Табл. 1. "Технические характеристики теплообменника"
Материал деталей аппарата, соприкасающихся с метанолом – сталь Х18Н9Т ГОСТ 5632-72, остальных ст. 3 ГОСТ 380-71. Материал герметизирующих прокладок – картон асбестовый ГОСТ 2850-58. Материал прокладок в резьбовых соединениях – алюминий марок А95, А85, А8, А7, А6, А5, А0, А (ГОСТ 11069-64). Число элементов в каждой из двух секций (ветвей): шт. Общее число элементов: шт. Таким образом, затраты на элементы теплообменника из расчета 100 руб. за элемент составят 1100 рублей. Масса аппарата "труба в трубе" – 2200 кг. |