Расчет теплообменника

3.Расчет теплообменника 3.1 Расчёт теплового баланса теплообменника Уравнение теплового баланса в общем виде можно записать в виде равенства: QUOTE (3.1.1) QUOTE (3.1.2) QUOTE (3.1.3) Тогда: Q1= G1*Cp(t1-t2) (3.1.4) Q2= X*Cp(t4-t3) (3.1.5) где G1, X - масса горячего и холодного теплоносителя, кг/ч; Cp - средняя удельная теплоемкость, Дж/(кг·°С); t1, t2- начальная и конечная температура горячего теплоносителя; t3, t4- начальная и конечная температура холодного сырья. G1 QUOTE Cp (t1-t2) = X-Cp(t4-t3) (3.1.6) Определяем расход холодного теплоносителя: 2030 * 1039*((-70)-(-15)) = X*1013((-135)-12) (3.1.7) Х = 779 = G2 Тепловая нагрузка при охлаждении от 12 до -135 °С: Q = Q1=Q2 (3.1.8) Q1= 779*1013*((-135)-(12) кДж/ч Q2 = 1160016 кДж/ч Средний температурный напор Δtcp в теплообменнике определим по формуле Гросфа: Δtcр = Δtmax – Δtmin /[23 1LgΔtmax /Δtmin] (3.1.9) Δtmax = (-70)-(15)= -85 °С Δtmin= 12-(-135) = -147 °С Δtcp= 32°С 3.2 Расчет поверхности теплообменника Величина поверхности теплообменника определяется из основного уравнения теплопередачи: Q = K*Δtcp*F (3.2.1) где Q- тепловая нагрузка, кДж/ч; К- коэффициент теплопередачи = 40 Вт/м2 К [2]; F-поверхность теплообмена, м2. Fор = Q/K*Δtcp, (3.2.2) Fор =1160016 /40*112,9= 42,6 м2 По ГОСТ 15118-79 выбираем теплообменник с близкой поверхностью равной 52 м2 диаметр кожуха 400 мм одноходовой с длиной труб 6 м количество труб 111 шт; dTp = 25x2, мм; STp = 1,7 QUOTE 102; Sm.tp = 3 QUOTE 102,m2 . [1] 3.3 Уточненный расчет теплообменника Коэффициент теплопередачи рассчитываем [12, 13]: QUOTE (3.3.1) где a1 а2- коэффициенты теплопередачи со стороны горячего и холодного теплоносителя, Вт/м2 QUOTE К; QUOTE - толщина стенки, равна 0,002, м[1]; λт- коэффициент теплопроводности металла труб, Вт/м2 QUOTE К, равный 46,5 Вт/м2 QUOTE К [1]. Определим скорость (W, м/c) в трубном и межтрубном пространстве по формуле QUOTE (3.3.2) где ρср - средняя плотность сырья, 860, кг/м3[2]; f1 - площадь поперечного сечения всех труб в одном ходу аппарата, f1=0,034 м2[1]. Рассчитываем критерий Рейнольдса: QUOTE , (3.3.3) QUOTE , (3.3.4) где dB, dH- внутренний и наружный диаметр труб; Vcp- кинематическая вязкость Vcp= 0,761-10-6, м2 /с.[1] Режим ламинарный Рассчитываем критерий Нуссельта для трубного и межтрубного пространства: Nu1 =0,008 QUOTE 0,9 Pr0,43 (3.3.5) Nu2= 0,2 QUOTE 0,6 Pr0,33 (3.3.6) где Рr- критерий Прандтеля, Рr=5,1. Nu1= 0,008 QUOTE 365,910,9 QUOTE 5,10,43 = 3,26 Nu2= 0,2 QUOTE 262,810,6 QUOTE 5,10,33 = 9,68 Коэффициент теплоотдачи со стороны холодного и горячего теплоносителя рассчитываем по формуле QUOTE (3.3.7) QUOTE (3.3.8) где λ - коэффициент теплопроводности сырья, λ = 0,245 [1]. Тогда коэффициент теплопередачи равен: Требуемая поверхность: Коэффициент запаса составляет: ∆ = (47,7-42,6)*100/42,6 = 11,97% По ГОСТ 15118-79 выбираем теплообменник с поверхностью 57 м2 [3]. 3.4 Гидравлический расчет теплообменника Для перехода через теплообменный аппарат теплоносители должны подаваться под некоторым избыточным давлением, чтобы преодолеть гидравлическое сопротивление аппарата QUOTE (3.4.1) где λ - коэффициент трения; r - число ходов; d - диаметр труб, мм; QUOTE - сумма коэффициентов местных сопротивлений; W - массовая скорость среды, кг/м2; р - плотность среды, кг/м. Коэффициент местных сопротивлений учитывает вход, выход потоков (1,5 QUOTE 2)=3, поворот между ходами (2,5), QUOTE =5,5: [2] W= G/S (3.4.2) где G - расход горячего теплоносителя, G = 1213,2 кг/ч; S- сечение для перехода сырья. S= Пd2n/4r (3.4.3) W = 1213,2 / 0,0785 = 154,5 м/с Потери давления в трубном пространстве: Сопротивление межтрубного пространства: W= 15000/36000умежтр где Умежтр- площадь поперечного сечения в межтрубном пространстве, м3: Умежтр-=П/4(D2*n*d2H) (3.4.4) Умежтр=3,14/4(12 QUOTE 373 QUOTE 0,0252) = 0,575 м W=15000 QUOTE 1,022/36000 QUOTE 0,575=0,740 кг/м2 QUOTE ч Местные сопротивления: вход и выход = 3, поворот через перегородку в межтрубном пространстве 4 QUOTE 1,5= 6. Следовательно QUOTE МПа Рассчитанное избыточное давление не превышает 1,47 МПа 3.5 Расчет диаметров штуцеров теплообменника QUOTE (3.5.1) где V - объемный расход холодного теплоносителя, м3/с; W - скорость потока холодного теплоносителя, м/с.[4] V=W*SMT= 15,4 QUOTE 7,85 QUOTE 10-2 =1,2 м3/с (3.4.6) D = 0,31 м По ГОСТ 9617-76 принимаем D = 0,30 м [4]. Аналогично рассчитывается штуцера горячего теплоносителя, принимается D = 0,2 м [4].