Расчет и проект выпарной установке непрерывного действия для выпаривания водного раствора CuSO4

4. Расчет теплообменника

Кожухотрубчатые подогреватели предназначены для подогрева жидкостей в трубном пространстве за счет теплоты конденсации пара в межтрубном пространстве.

Рассчитаем необходимую поверхность теплообменника, в трубном пространстве, которого нагревается от tн1, °С, до tк1, °С, G1, кг/с, исходной смеси. В качестве теплоносителя используем насыщенный водяной пар давлением P=0,5 МПа.

Тепловой поток Q, Вт, принимаемый исходной смесью и, соответственно, отдаваемый насыщенным водяным паром (1 стр. 66).

 (4.1)

где G1 – массовый расход жидкостной смеси, кг/с;

с1 – теплоёмкость раствора ;

tн1, tк1 – начальная и конечная температура раствора, °С.

G1=5 кг/с – по заданию; t1к=121,20 °С – рассчитано в третьем разделе; t1н=35 °С – по заданию; с1=4102 – (2 стр. 235).

кВт.

Расход насыщенного водяного пара G2, кг/с, (1 стр. 66).

 (4.2)

где r2 – удельная теплота конденсации греющего пара, кДж/кг.

r2=2114,9 кДж/кг – (3 стр. 550).

кг/с.

Представим температурный режим теплообменника в виде схемы.

  

где tн2, tк2 – температура греющего пара и температура конденсата, °С.

tн2=151,78 ºС, – (3 стр. 550), tк2=151,78 ºС, – принимаем что подогрев происходит за счёт конденсации пара.

Средняя разность температур теплоносителей Δtср, °С, (1 стр. 66).

 

   (4.3)

°С.

Среднюю температуру нагреваемого раствора t1, °С, определим (1 стр. 67).

,

где t2 – температура конденсирующегося пара, °С.

t2=151,78 °С.

°С.

Ориентировочное значение поверхности (1 стр. 67):

 (4.4)

где Кор – ориентировочное значение коэффициента теплопередачи, .

Кор = 800 – по рекомендации (1 стр. 67).

м2.

Наиболее близкое значение поверхности теплопередачи у теплообменника по ГОСТ 14246-79: D=500 мм, dтр=20×2 мм, число ходов z=2, длиной труб L=3 м при F=38 м2.

Истинное значение коэффициента теплопередачи К рассчитаем по (1 стр. 178).

 (4.5)

где α2, α1 – коэффициенты теплоотдачи от пара стенке и от стенки раствору, ;

 – термическое сопротивление  стенки, .

Задаём разность температур между паром и стенкой Δt2, °С.

Δt2=6 °С.

Коэффициент теплоотдачи пара к стенке α2, , (1 стр. 53).

 (4.6)

где λ2 – теплопроводность конденсата, ;

ρ2 – плотность конденсата, кг/м3;

dнар – наружный диаметр труб, м;

μ2 – вязкость конденсата, Па·с.

λ2=0,684 ; ρ2=921 кг/м3, μ2=190·10-6 Па·с – (3 стр. 539); dнар=0,02 м.

  .

Найдём плотность теплового потока q2, Вт/м2, отдаваемого паром стенке (1 стр. 67).

 (4.7)

 Вт/м2.

Принимаем тепловую проводимость загрязнений со стороны пара и со стороны раствора r1= r2=2900 ; теплопроводность стали λ=17,4 .

Суммарное термическое сопротивление рассчитывается по формуле (1 стр. 49):

 (4.8)

где δ – толщина стенки, м.

δ=0,002 м.

.

Температура стенки со стороны раствора tст1, °С, (1 стр. 66).

°С.

Разность температур между стенкой и раствором Δt1, °С.

°С.

Для определения коэффициента теплоотдачи от стенки необходимо определить характер течения раствора в трубном пространстве, для этого необходимо определить критерий Рейнольдса.

Критерий Рейнольдса для раствора Re1 (1 стр. 67).

 (4.9)

где μ1 – вязкость раствора, Па·с.

μ1=366·10-6 Па·с – (2 стр. 159).

.

Коэффициент теплоотдачи от стенки раствору α1, , (3 стр. 155).

 (4.10)

где Re1 – критерий Рейнольдса для движения раствора;

Pr1 – критерий Прандтля при средней температуре раствора;

dвн – внутренний диаметр трубы, м;

λ1 – теплопроводность раствора, .

dвн=0,016 м.

Критерий Прандтля при средней температуре раствора Pr1.

,

где с1 – теплоёмкость раствора при средней температуре, ;

λ1 – теплопроводность раствора при средней температуре, ;

μст1 – вязкость раствора при температуре стенки, Па·с.

с1=4102 – (2 стр. 235); λ1=0,668 – (2 стр. 315); μст1=251·10-6 Па·с – (2 стр. 159).

,

.

Найдём плотность теплового потока q1, Вт/м2, отдаваемого стенкой раствору:

 (4.11)

 Вт/м2.

Различие значений q1 и q2 составляет более 5 %, следовательно принятое в качестве первого приближения значение Δt2 не соответствует действительному.

Второго приближение – Δt2=10 °С.

  .

 Вт/м2.

°С.

°С.

.

 Вт/м2.

Различие значений q1 и q2 составляет более 5 %, следовательно, принятое в качестве второго приближения значение Δt2 не соответствует действительному.

Для расчёта в третьем приближении строим графическую зависимость удельной тепловой нагрузки q1 и q2, Вт/м2, от разности температур Δt2, °С, между паром и стенкой, рисунок 4.1.

 

Рисунок 4.1 – Зависимость удельной тепловой нагрузки q1 и q2 от разности температур Δt2

По рисунку определяем – Δt2=9,06 °С.

  .

 Вт/м2.

°С.

°С.

.

 Вт/м2.

Так как расхождение между тепловыми нагрузками не превышает 5%, расчёт коэффициентов α1 и α2 на этом заканчиваем.

По формуле(4.5) рассчитываем коэффициент теплопередачи К.

.

Определим необходимую поверхность теплообмена по формуле (4.4):

м2.

По ГОСТ 14246-79 принимаем теплообменник F=38 м2.

Параметры принятого кожухотрубчатого теплообменника представлены в таблице 4.1.

Таблица 4.1 – Параметры кожухотрубчатого теплообменника

Поверхность теплообмена F, м2	38
Диаметр кожуха D, мм	500
Длина труб l, м	3,0
Диаметр труб dтр, мм	20×2
Число ходов z	2

Гидравлическое сопротивление в трубном пространстве ∆P1, Па, рассчитываем (1) формула (2.35).

 (4.11)

где λ – коэффициент трения;

ωтр – скорость жидкости в трубах, м/с;

ρ1 – плотность раствора, кг/м3;

ωтрш – скорость жидкости в штуцерах, м/с.

Скорость жидкости в трубах ωтр, м/с, определяется по выражению (1) формула (2.30).

 (4.12)

м/с.

Коэффициент трения λ рассчитывается (1) формула (2.31):

 (4.13)

где е – относительная шероховатость труб.

е=Δ/dвн,

где Δ – высота выступов шероховатостей, м.

Δ=0,0002 м – для стальных труб (3 стр. 519).

.

.

Диаметр штуцеров в распределительной камере принимаем 0,2 м, (1 стр. 55). Тогда скорость в штуцерах (1) формула (2.30).

м/с.

Па.