Курсовой проект - Расчет теплообменника

Подождите немного. Документ загружается.

Q=Gп·rсм+Gп·c

см

+(tw-tвыхода)

(8)

Где Gп – массовый расход пара, кг/с;

rсм – удельная теплота конденсации пара, кДж/кг или Дж/кг.

Q=2,78·392,75+2,78·2034,5·(80,06-40)=1357,4 кВт.

Расход воды Gв, необходимый для конденсации пара:

Gв=Q/св·(tвыхода-tвхода);

Gв=1357,4/4,18·(40-25)=21,6 кг/с.

Qб,т=Gп·rсм;

(9)

Qв=Gв·св·(tвыход-tх).

(10)

Приравнивая уравнения (9) и (10), получаем tx:

tх=40-2,78·392,75/21,6·4,18=27,9˚С.

Определение средней разности температур между теплоносителями.

Расчет площади поверхности

Рис. 4.1. Схема движения теплоносителей.

Разделяем схему на две зоны. I зона – зона конденсации паровой фазы, II

зона – зона охлаждения образовавшегося конденсата пара.

Расчет площади поверхности для I зоны

∆tб=80-27,9=52,1˚С;

∆tм=86-40=46˚С;

∆tср=(52,1+46)/2=49,05˚С.

∆t`=(86+80)/2=83˚С,

∆t=∆t`-∆tср;

∆t=83-49,05=33,95˚С.

Ориентировочно принимаем коэффициент теплопередачи равным

Kор=345 Вт/(м

·К).

Ориентировочная площадь поверхности теплопередачи FорI,

необходимая для конденсации пара:

Fор=Q/(Кор·∆t);

(11)

FорI=1092·10

/(345·33,95)=93,23м

Расчет площади поверхности для II зоны

∆tб=80-27,9=52,1˚С;

∆tм=40-25=15˚С;

∆tср=(52,1-15)/[ln(52,1/15)] =29,92˚С.

∆t`=(27,9+25)/2=26,45˚С,

∆t=∆t`+∆tср;

∆t=29,92+26,45=56,37˚С.

Ориентировочно принимаем коэффициент теплопередачи равным

Kор=240 Вт/(м

·К).

Ориентировочная площадь поверхности теплопередачи FорI,

необходимая для конденсации пара рассчитывается по формуле (11)

FорII =1092·10

/(240·56,37)=16,74м

Общая ориентировочная площадь поверхности теплопередачи Fобщ:

Fобщ= FорI+ FорII

(12)

Fобщ=93,23+16,74=109,97 м

Таблица 4.1

Свойства теплоносителя и хладоагента

Свойство Размерность Теплоноситель Хладоагент

tср

˚С

t1ср=83˚С t2ср=33,95˚С

ρ кг/м

809,98 995

с Дж/(кг·К) 2,0345 4180

μ Па·с 0,30547·10

-3

0,785·10

-3

λ Вт/(м·К) 0,1299 62·10

-2

r кДж/кг 392,75 -

Выбор теплообменника

В кожухотрубчатых аппаратах конденсирующийся пар проходит по

межтрубному пространству, в котором обычно имеются поперечные

перегородки. Охлаждающая вода или другой хладагент движется по трубам.

Одноходовые и многоходовые теплообменники могут быть вертикальными

или горизонтальными. Вертикальные аппараты более просты в эксплуатации

и занимают меньшую производственную площадь. Горизонтальные

теплообменники обычно применяют многоходовыми и они работают при

больших скоростях теплоносителей, чем вертикальные, чтобы свести к

минимуму расслоение жидкостей вследствие разности их температур и

плотностей, а также устранить образование застойных зон.

По данным справочных таблиц выбираем конденсатор вариант 1, вариант

2 и вариант 3. Геометрические характеристики аппаратов занесены в табл. 11.

Ориентировочная масса аппаратов М, представленная в табл. 11, взята из [8, с.

56].

Таблица 4.2

Конструктивные характеристики кожухотрубчатых

Теплообменников

Характеристики Вариант 1 Вариант 2

1. Диаметр кожуха D, мм 800 600

2. Диаметр труб d, мм 25х2 25х2

3. Число ходов z 6 2

4. Площадь сечения одного

хода по трубам f, м2

0,022 0,042

5. Длина труб L, м 4,0 6,0

6. Площадь поверхности 121 113

теплопередачи F, м2

7. Число труб n 384 240

8. Ориентировочная масса

аппарата М, кг

3950 3130

Скорость-воды в трубах теплообменников:

W=Gв(ρв·fтр), (12)

где Gв – расход воды, необходимый для конденсации пара, кг/с;

ρв – плотность воды при температуре 27,9˚С;

fтр – площадь сечения одного хода по трубам, м2.

для варианта 1 W1=21,6(990·0,022)=0,99м/с;

для варианта 2 W2=21,6(990·0,042)=0,52м/с.

Расчет варианта 1

Коэффициент теплоотдачи от пара к трубам α1 при пленочной

конденсации пара и ламинарном отекании пленки конденсата для

вертикального аппарата рассчитывается по уравнению (13), а для

горизонтального - по уравнению (14) [8, с. 53]:

где dн - наружный диаметр труб;

n - число труб;

ε - коэффициент, зависящий от числа труб;

при n ≤ 100, ε = 0,7; при n > 100, ε = 0,6.

Теплофизические характеристики конденсата λ, ρ, μ рассчитываются при

средней температуре конденсации пара tп=83°С.

Плотность пленки конденсата р определяется из соотношения

(15)

где ρi - плотность компонентов конденсата при tп=83°С [2,с.512];

ρ1 = 810 кг/м

, ρ2 =804 кг/м

1/р = 0,99/810 + 0,01/804 = 0,0012346 м

/кг,

откуда ρ = 1 / 0,0012346 =809,98 кг/м

Вязкость пленки конденсата μ рассчитывается по формуле

(16)

где μi - вязкость компонентов конденсата [2, е. 556 или 4];

хi - мольные доли компонентов в конденсате; в случае полной

конденсации пара хi = уi.

Вязкость компонентов конденсата:

μ1 = 0,305·10

-3

Па·с, μ 2 = 0,308·10

-3

Па·с,

lgμ =0,99·lg0,305·10

-3

+0,01·lg0,308·10

-3

=-3,6638,

откуда μ= 0,30547·10

-3

Па·с.

Коэффициент теплопроводности пленки конденсата λ рассчитывают

приближенно по формулам (17) и (18) и в дальнейших расчетах используют

меньшее значение λ . [10].

(17)

(18)

где λi- коэффициенты теплопроводности компонентов конденсата [2, с.

561].

λ1 =0,13 Вт/(м·К);

λ2=0,1225 Вт/(м·К);

λ`=0,99·0,13+0,01·0,1225=0,1299 Вт/(м·К);

λ``=0,985·0,13+0,015·0,1225=0,1298 Вт/(м·К);

Принимаем λ=λ``=0,1298 Вт/(м·К).

Коэффициент теплоотдачи от пара к трубам для вертикального аппарата

α'1 верт в соответствии с уравнением (13):

α'1, верт =3,78·0,1299·



809,98

⋅0,025⋅384

0,3045⋅10

−3

⋅2,77

=959,7 Вт/(м

·К);

Для горизонтального-аппарата коэффициент теплоотдачи от пара к

трубам α '1 гор в соответствии с уравнением (14)

α'1, гор =2,02·0,6·0,1299·



809,98

⋅4,0⋅384

0,3045⋅10

−3

⋅2,77

=1912 Вт/(м

·К);

Величина критерия Рейнольдса для воды:

Rе=w·dвн·ρв/μв, (19)

где dвн - внутренний диаметр труб, м.

Rе=0,99·0,021·970/0,34·10

-3

=59312,6>10

=> турбулентное течение.

Коэффициент теплоотдачи от труб к воде α2 при устойчивом

турбулентном течении (Rе > 10000 ) рассчитывается из соотношения (20) [8, с.

49]:

(20)

где dэкв - эквивалентный диаметр канала; при движении по трубам (dэкв

равен внутреннему диаметру трубы dвн.

Из уравнения (20) величина α2

(21)

В уравнениях (20) и (21) физические величины, входящие в критерии

Рейнольдся и Прандтля, берутся при средней температуре жидкости tср =

27,9˚С. Физические величины, входящие в критерий Ргст, берутся при

температуре стенки со стороны жидкости tст2.

Температура tст2 еще неизвестна, поэтому в первом приближении

принимаем отношение (Рг/Ргст)

0,25=

1,0. Величину этого отношения уточним

последующим расчетом.

Из табл. 10 значение Рг = 5,5.

Величина α2

α2=0,023·(0,618/0,021)·59312

0,8

·5,5

0,4

= 8813,7 Вт/(м

·К)

Принимаем термическое сопротивление со стороны конденсирующегося

пара органических веществ r1=1/11600=0,00009 (м

·К)/Вт, а со стороны воды

г2=1/1860=0,00054 (м

·К)/Вт [8, с. 48].

Для легированной стали коэффициент теплопроводности λст =17,5

Вт/(м·К) [2, с.529]. Тогда термическое сопротивление стенки

rст=δст/λст=2·10

-3

/17,5=0,000114 (м

·К)/Вт

(δст – толщина стенки труб теплообменника).

Сумма термических сопротивлении г;..

(22)

Коэффициенты теплопередачи для вертикального К'верт и

горизонтального К'гор аппаратов:

К'верт=

α`1,верт

+r+

α2

. (23)

К'верт=

1954,69

0,00074

8813,7

=735,3 Вт/(м

·К).

К'гор=

α`1,гор

+r+

α2

. (24)

К'верт=

1912

0,00074

8813,7

=339,6 Вт/(м

·К).

Расчетная площадь поверхности теплопередачи для вертикального

F'расч, верт и горизонтального F'расч, гор аппарата:

F'расч,верт=Q/(К'верт·∆tср);

F'расч,верт=1092·10

/(735,3·33,95)=43,74 м

;

F'расч,гор=Q/(К'гор·∆tср);

F'расч,гор=1092·10

/(339,6·33,95)=94,71 м

Для вертикального аппарата запас площади поверхности теплопередачи

∆'верт значительно меньше номинального нормализованного аппарата

Fнорм=121м

, поэтому следует отказаться от варианта установки

вертикального аппарата.

Для горизонтального аппарата запас площади поверхности

теплопередачи ∆'гор определяется по уравнению:

Δ=

Fнорм−Fрасч

Fрасч

⋅100≈ 15÷ 30 .

(25)

Δ=

121− 94,71

94 , 71

⋅100= 27%≈ 15÷30 .

Такой запас площади поверхности теплопередачи является допустимым.

Рассчитываем температуру стенок со стороны пара t`ст1 и воды t`cт2 для

горизонтального аппарата из соотношения (26) для поверхностной плотности

теплового потока

q=Q/F=K`гор·∆tср= α`1гор(tп-tст1=α2(tст2-tср), (26)

откуда:

t'ст1=tп - K'гор·∆tср/α'1,гор;

t'ст1=83-339,6·33,95/1912=77°С;

t'ст2=tср - K'гор·∆tср/α2;

t'ст2=27,9+339,6·33,95/8813,7=29,2°С.

Разность температур ∆t между паром и стенкой

∆t=tп- t'ст1=83-77=6°С<40°С

Значение ∆t не превышает 40°С, поэтому уточнять температуру пленки

конденсата t'пл и рассчитывать коэффициент теплоотдачи от пара к стенке

при новом значений температуры пленки конденсата не требуется.

t'пл=0,5(83+77)=80°С.

Проверим ранее принятое допущение (Рr/Рrст)

0,25

=1,0. Критерий

Прандтля при температуре стенки tст. Величина (Рr/Рrст)

0,25

=1,03 близка к

единице, поэтому в расчет коэффициента теплоотдачи от стенок труб к воде

α2 корректировок вносить не требуется.

Для проверки правильности выполненных расчетов из соотношения (26)

найдем поверхностную плотность тепловых потоков со стороны- пара

q`=α1,гор·(tп-tст1), со стороны воды q``=α2·(tст2-tср) и передаваемую от

пара к воде q```=Kгор·∆tср.

q`=1912·(83-77)=11472 Вт/м

;

q``=8813,7·(29,2-27,9)=11457,81 Вт/м

;

q```=339,6·33,95=11529 Вт/м

Расхождение величин q` и q`` со значением q```:

Δ`=

q`−q```

q```

⋅100%

, (27)

Δ`=

11472 −11529

11529

⋅100%=0,49%

Δ``=

q``−q```

q```

⋅100%

(28)

Δ``=

11457 , 81−11529

11529

⋅100% =0,06%

Значения ∆` и ∆`` меньше допустимых (3 - 5)%, поэтому никаких

корректировок в расчет вносить не требуется.

Значения параметров процесса теплопередачи представлены на рис. 3.2

Рис.4.2. Схема теплопередачи варианта 1

Расчет варианта 1

Коэффициент теплоотдачи от пара к трубам α1 при пленочной

конденсации пара и ламинарном отекании пленки конденсата для

вертикального аппарата рассчитывается по уравнению (13), а для

горизонтального - по уравнению (14) [8, с. 53]:

Коэффициент теплоотдачи от пара к трубам для вертикального аппарата

α'1 верт в соответствии с уравнением (13):

α'1, верт =3,78·0,1299·



809,98

⋅0,025⋅240

0,3045⋅10

−3

⋅2,77

=820,6 Вт/(м

·К);

Для горизонтального-аппарата коэффициент теплоотдачи от пара к

трубам α '1 гор в соответствии с уравнением (14)

α'1, гор =2,02·0,6·0,1299·



809,98

⋅6,0⋅240

0,3045⋅10

−3

⋅2,77

=1634 Вт/(м

·К);

Величина критерия Рейнольдса для воды:

Rе=0,52·0,021·970/0,34·10

-3

=31154>10

=> турбулентное течение.

Коэффициент теплоотдачи от труб к воде α2 при устойчивом

турбулентном течении:

α2=0,023·(0,618/0,021)·31154

0,8

·5,5

0,4

=5265,6 Вт/(м

·К).

Коэффициенты теплопередачи для вертикального К'верт и

горизонтального К'гор аппаратов по формулам (23) и (24):

К'верт=

820,6

0,00074

5265,6

=476 Вт/(м

·К).

К'верт=

1636

0,00074

5265,6

=666,67 Вт/(м

·К).

Расчетная площадь поверхности теплопередачи для вертикального

F'расч, верт и горизонтального F'расч, гор аппарата:

F'расч,верт=Q/(К'верт·∆tср);

F'расч,верт=1092·10

/(476·33,95)=67,57 м

;

F'расч,гор=Q/(К'гор·∆tср);

F'расч,гор=1092·10

/(666,67·33,95)=48,3 м

Для горизонтального аппарата запас площади поверхности

теплопередачи ∆'гор значительно меньше номинального нормализованного

аппарата Fнорм=113м

, поэтому следует отказаться от варианта установки

горизонтального аппарата.

Для вертикального аппарата запас площади поверхности теплопередачи

∆'верт определяется по уравнению (25)

Δ=

113− 67 , 57

67 , 57

⋅100 =2% ≈15 ÷30 .

Такой запас площади поверхности является недопустимым, поэтому от

варианта 2 следует отказаться. Дальнейшие расчет производим, используя

данные варианта 1.