Расчет кожухотрубчатого теплообменника

Оглавление 3
1. Тепловой расчет 4
2. Гидравлический расчет 10
3. Выбор технологической схемы 13
4. Техническая характеристика теплообменника 14
5. Конструктивный расчет 15
Библиографический список 20

1. Тепловой расчет
Средняя температура С8Н10 t1 0,5 ( t1н t1к ) 70 оС
Средняя температура воды t2 0,5 ( t2н t2к ) 32,5 оС
Физико-химические характеристики теплоносителей при средней температуре взяты из справочников [4], [5] и сведены в таблицу 1.
Таблица 1
Наименование Обозначение Значение
С8Н10 Вода
Плотность, кг / м3
Теплопроводность, Вт / (мК)
Динамическая вязкость, Пас
Теплоемкость, Дж / (кгК)
Коэффициент объемного
расширения, К-1 ρ
λ
μ
с
β 885
0,120
0,0008
3450
0,00051 996
0,618
0,000845
4190
0,0003
Необходимую поверхность теплопередачи, м2, определяют из основного уравнения теплопередачи
FQ / (k tср),
где Q – тепловая нагрузка, Вт;
k – коэффициент теплопередачи, Вт/(м2 К);
tср – средняя разность температур потоков, оС.
Если агрегатное состояние теплоносителей не меняется, то тепловую нагрузку определяем по уравнению
Q G1с1 (t1н – t1к)
Q 45000/3600 3450 (80-60) 862500 Вт
Расход воды определяем из уравнения теплового баланса

Схема движения теплоносителей прямоточная

Средняя разность температур потоков определяется как среднеарифметическая между большей и меньшей разностями температур теплоносителей:
Δtб 45 ºС, , то Δtср (45 25)•0,5 35
Ориентировочный выбор теплообменника.
Ксилол, как коррозионноактивную среду, направляем в трубное пространство, а охлаждающую воду – в межтрубное.
Примем ориентировочное значение критерия Рейнольдса
Re1ор. 12000, соответствующее развитому турбулентному режиму течения в трубах. Очевидно, что такой режим возможен в теплообменниках, у которых число труб n, приходящееся на один ход по трубам диаметром
dн 20 х 2 мм, равно
n / z 4G1 / (πdRe1ор μ1) 4 12,5 / (3,14 0,016 12000 0,0008) 104
Для труб диаметром dн 25 х 2 мм
n / z 4G1 / (πdRe1ор μ1) 4 12,5 / (3,14 0,021 12000 0,0008) 79
Минимальное ориентировочное значение коэффициента теплопередачи, соответствующее турбулентному течению теплоносителей, равно табл. 11.1[1]
kор 800 Вт/(м2 К). При этом ориентировочное значение поверхности теплообмена составит
Fор 862500/(35 800) 30,8 м2
Определим поправку для средней разности температур εt с помощью графиков, приведенных на рис. 11.1 [1].
Р (50-15)/(90-15) 0,46
R (80-60)/(50-15) 0,57
εt 0,75 и tср 35 0,75 26,25 оС
С учетом этих оценок ориентировочная поверхность составит
Fор 862500 / (26,25 800) 41 м2
По таблице 11.3 [1] выбираем теплообменники с близкой поверхностью теплообмена и проведем утонченный расчет следующих вариантов:
Вариант 1: D 600 мм, dн 20 х 2 мм, z 6, n/z 316/6 52,7
L 3м, F 60м2
Вариант 2: D 400 мм, dн 20 х 2 мм, z 2, n/z 166/2 83
L 6м, F 63м2
Вариант 3: D 600 мм, dн 20 х 2 мм, z 4, n/z 334/4 83,5
L 3м, F 63м2

Утонченный расчет поверхности теплопередачи.
Вариант 1

При переходном режиме (2300 Re 10 000) приближенное значение коэффициента теплоотдачи к жидкости α1, Вт/(м2К), определяем по уравнению:
Nu1 0,008 Re10,9Pr10,43 ,
где Nu1 α1l / λ1 – критерий Нуссельта,
где l – определяющий размер в критериях подобия;
Pr1 с1 μ1 / λ1 – критерий Прандтля.
Определяющим размером в критериях Re и Nu является эквивалентный диаметр трубы; определяющая температура, при которой рассчитываются физические свойства среды – средняя температура теплоносителя.
α1 0,008 Re1 0,9Pr10,43( λ1 / d )
Pr1 1886 0,00051 / 0,12 8
α1 0,008 8350 0,9 80,43( 0,12 / 0,018 ) 4414 Вт/(м2К)
Минимальное сечение потока в межтрубном пространстве находим по таблице П.3 [1] Sмтр 0,037 м2

Pr2 4190 0,000845 / 0,618 5,73
При движении теплоносителя в межтрубном пространстве коэффициент теплоотдачи к воде при Re 1000 составит
Эквивалентный диаметр для межтрубного пространства рассчитывается по формуле:


α2 0,24 3761,4 0,6 5,730,36( 0,618 / 0,03375 ) 1151 Вт/(м2К)

В соответствии с таблицей П.2 [1] примем термические сопротивления загрязнений равными rз1 rз2 1/5800 м2К/Вт.
В качестве материала труб выбираем нержавеющую сталь. Теплопроводность нержавеющей стали
αст 17,5 Вт /(м К).
Сумма термических сопротивлений стенки и загрязнений равна:

где δ – толщина стенки трубы, м
Коэффициент теплопередачи равен

Требуемая поверхность составляет
F 862500 / (26,25 654) 50,2 м2
Из табл. 11.3 [1] следует, что из выбранного ряда подходит теплообменник с трубами длиной L 3 м и номинальной поверхностью F60м2.
При этом запас составит

Масса теплообменника по табл. 11.10 [1] равна 2100 кг.
Вариант 2.
Аналогичный расчет дает следующие результаты:
Re1 4994
Re2 8173
α1 1308 Вт/(м2К)
α2 2876 Вт/(м2К)
k 635 Вт/(м2К)
F 59 м2
Из табл. 11.3 [1] следует, что теплообменник с трубами длиной L 6 м номинальной поверхностью F 63 м2 подходит с запасом 6,7 %. Его масса равна 1890 кг.
Вариант 3.
Аналогичный расчет дает следующие результаты:
Re1 4961
Re2 3390
α1 1285 Вт/(м2К)
α2 1765 Вт/(м2К)
k 536 Вт/(м2К)
F 64 м2
Из табл. 11.3 [1] следует, что теплообменник с трубами длиной L 3 м номинальной поверхностью F 63 м2 подходит с запасом 1,5 %. Его масса равна 1980 кг.
Дальнейшее сопоставление трех вариантов проводится по гидравлическому сопротивлению.
 

.