Расчет теплообменника

Наиболее простой путь обеспечения  высоких скоростей состоит в  устройстве многоходовых теплообменников. Число ходов в трубном пространстве может доходить до 8 - 12. При этом часто не удается сохранить принцип противотока. Наличие смешанного тока буден несколько снижать движущую силу процесса теплопередачи, что соответственно снизит эффективность работы. С помощью перегородок увеличивается скорость движения той среды, у которой меньше значение коэффициента теплоотдачи. Следует иметь в виду, что в длинных, особенно в многоходовых, теплообменниках уменьшается смешение поступающей среды со всем ее количеством, находящемся в аппарате, и этим предупреждается возможное дополнительное уменьшение средней разности температур.

В кожухотрубных теплообменниках  при большой разности температур между средами возникают значительные термические напряжения, особенно в  момент пуска или остановки аппарата, вызванные различным удлинением трубок и кожуха под воздействием различных температур. Во избежание возникновения таких напряжений используются следующие меры:

1. Установка в корпусе аппарата линзового компрессора.
2. Установка в теплообменнике только одной трубной решетки, в которой закреплены трубки U - образной формы.
3. Устройство теплообменников с «плавающей головкой».
4. Закрепление трубок в одной из трубных решеток с помощью сальников.
5. Сальниковое соединение трубной решетки с кожухом.

Теплообменники типа «труба в трубе». Теплообменники этого типа смонтированы из труб, каждая из которых окружена трубой несколько большего диаметра. Одна среда течет по внутренней трубе, другая - по кольцевому каналу. Внутренние трубы соединены последовательно «калачами», а наружные - патрубками. При необходимости получить большую поверхность теплопередачи возможно не только последовательное, но и параллельное и комбинированное соединение таких секций с помощью коллекторов. В теплообменнике типа «труба в трубе» соответствующим подбором диаметров труб для обеих теплообменивающих сред можно назначить любую скорость, а следовательно получить соответственно высокие значения величин . Недостатком таких теплообменников является большой расход металла на единицу тепло передающей поверхности вследствие затрат на бесполезные для теплообмена внешние трубы, что приводит к значительному увеличению стоимости аппарата. Этот недостаток становится менее ощутимым, если внешние трубы изготовлены из обычной углеродистой стали, а внутренние - из дорогостоящего материала в условиях агрессивных сред. Теплообменники типа «труба в трубе» особенно широко применяются тогда, когда среды подаются под высоким давлением (десятков и сотен атмосфер).

Теплоотдача от конденсирующегося  пара. Одним из наиболее часто применяемых в химической промышленности методов нагревания является обогрев конденсирующимся водяным паром. Достоинства такого обогрева следующие:

1. Пар обладает большим теплосодержанием, обусловленным теплотой конденсации.
2. Есть возможность применения мятого пара после турбин, который еще не потерял свою теплоту конденсации.
3. Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара имеет большую величину.
4. Конденсирующийся пар обеспечивает равномерность и точность обогрева, легко регулируемого изменением давления.

Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося  пара. Различают два механизма конденсации пара на тепловоспринимающей стенке: пленочный на смачиваемой поверхности и капельный на не смачиваемой конденсатом стенки. При ламинарном режиме коэффициент теплоотдачи можно определить через утолщающуюся пленку конденсата, стекающего под действием силы тяжести, тепло предается теплопроводностью. При конденсации пара на поверхности вертикальных труб

   (2.23)

где - разность между температурами конденсации пара и стенки ;  r - теплота конденсации, дж/кг;  - коэффициент теплопроводности конденсата, ;  - плотность конденсата, ;  - вязкость конденсата, ;  H -  высота вертикальной трубы или стенки, м.

В уравнении (2.23) отображается физическая сущность явления. При расчете этого уравнения получается заниженный результат, так как не учитывается волнообразное движение пленки конденсата. Экспериментальные данные показывают, что более точные результату дает уравнение

  (2.24)

Также на величину коэффициента теплоотдачи влияют в различной степени следующие факторы:

• изменение величин и H (турбулентный режим стекания пленки);
• изменение скорости движения пара и его направления;
• изменение расположения теплопередающей поверхности (при горизонтальном расположении условия теплообмена ухудшаются);
• изменение состояния поверхности и характера конденсации;
• влияние перегрева пара;
• влияние примесей конденсирующихся газов.

 

 

3.Материальные  и тепловые расчеты

 

 

3.1. Общая часть.

1. Определим расход теплоты и расход воды. Примем индекс «1» для горячего теплоносителя (бензол + толуол), индекс «2» - для холодного теплоносителя (вода).

Предварительно найдем среднюю  температуру воды:

 

t2 = 0,5 (10 + 25) = 17,5 С;

 

среднюю температуру смеси бензол-толуол:

 

= 31 + 17,5 = 48,5 С; (3.1)

 

где - средняя разность температур, равная при потоке теплоносителей 31 С.

 

+80,5 25 С;

+25      10 С;

           ;

 

= 31 С; (3.2)

 

Без учета потерь тепла расход теплоты:

 Вт; (3.3)

расход воды аналогично (3.3) выразив  через расход:

 кг/с; (3.4)

где =1927 Дж/(кг К) и =4190 Дж/(кг К) - удельные теплоемкости смеси и воды при их средних температурах =48,5 С и =17,5 С [1, рис. XI  и таб. XXXIX].

Объемные расходы смеси и воды:

 (3.5)

 (3.6)

где и - плотность смеси берем как для чистого бензола, так как содержание толуола не велико и изменение плотности очень не значительное [1, таб. IV] и воды [1, таб. XXXIX].

 

3.2. Наметим  варианты теплообменных аппаратов.

Для этого определим ориентировочно значение площади поверхности теплообмена, полагая Кор = 500 по [1, таб. 4.8], т. е. Приняв его таким же, как и при теплообмене от жидкости к жидкости для воды:

; (3.7)

Из величины = 23 следует, что проектируемый теплообменник может быть много ходовым. Поэтому для правильности расчета нужно сделать поправку для многоходовых теплообменников.

В аппаратах с противоточным  движением теплоносителей при прочих равных условиях больше чем в случае прямотока. При сложном взаимном движении теплоносителей принимает промежуточные значения, которые учитывают, вводя поправку к средне логарифмической разности температур для противотока.

; (3.8)

где   ;  ;

; ;  

 

; ;     ;

 

;

 

Рассчитаем коэффициент по формуле (3.8)

;

 

= С;  (3.9)

Для обеспечения интенсивного теплообмена  попытаемся подобрать аппарат с  турбулентным режимом течения теплоносителей. Смесь бензол-толуол направим в трубное  пространство, так как это активная среда, воду - в межтрубное пространство.

В теплообменных трубах Æ25*2 мм холодильников по ГОСТ 15120-79 скорость течения смеси при Re 2 > 10000 должна быть более

 (3.10)

где - вязкость смеси при 48,5 С; [1, с. 556].

 Число труб, обеспечивающих  такой режим, должно быть:

; (3.11)

т.е. число труб n < 44,9 на один ход.

Выберем варианты теплообменников [2, таб. 2.3]:

1. Теплообменник «кожухотрубный»   D = 600; d = 25*2; z=6; n/z = 32,7;

SВ.П. = 0,037 ; F = 61 ; L = 4 м; SВ.П. = 0,011 .

2. Теплообменник «кожухотрубный»   D = 600; d = 25*2; z=4; n/z = 51,5; SВ.П. = 0,04 ; F = 65 ; L = 4 м; SВ.П. = 0,018 .

 

Вариант 1. Теплообменник «кожухотрубный» (ГОСТ 15120-79)

1. Скорость течения в трубах, для обеспечения турбулентного режима, должна быт более
2. Составим схему процесса теплопередачи (Рис. 3.1).

а) В трубное пространство. Определим  критерии Рейнольдса и Прандтля для  смеси бензол-толуол.

Бензол-толуол   Вода

   

 

   

 

 

     

                            

 

Рис. 3.1 (к первому варианту расчета)

; (3.12)

;

;  (3.13)

;

где =0,14 Вт/(м К) - коэффициент теплопроводности смеси бензол-толуол [1, рис. X].

Рассчитаем критерий Нуссельта  для турбулентного течения смеси:

;        (3.14)

где примем равному 1, и соотношение =1 с дальнейшей поправкой.

Коэффициент теплоотдачи смеси  бензол-толуол к стенке:

; (3.15)

б) Межтрубное пространство. Рассчитаем коэффициент теплоотдачи для  воды. Скорость воды в межтрубном пространстве.

; (3.16)

Критерий Рейнольдса для воды:

; (3.17)

где =0,0011 Па с [1, таб. XXXIX], = 998 при температуре +17,5 С;

Критерий Прандтля для воды при +17,5 С:

;   (3.18)

где =0,59 Вт/(м К) - коэффициент теплопроводности воды [1, рис. XXXIX].

Для выбора формулы расчета коэффициента теплоотдачи рассчитаем значение GrPr при Re < 10000.

; (3.19)

где - плотность воды при 17,5 С [1, таб. XXXIX]; ; и - плотности воды при 10 и 25 С; =0,0011 Па с [1, таб. XXXIX] - динамический коэффициент вязкости воды при 17,5 С.

;

Для вертикального расположения труб примем выражение [1, форм. 4.28]

;  (3.20)

примем значение = 1 с дальнейшей поправкой где и вязкость воды при 17,5 С и температуре стенки соответственно по формуле (3.20).

;

Коэффициент теплоотдачи для воды:

; (3.21)

 

Рассчитаем термическое сопротивление  стенки и загрязнений [1, таб. XXXI]:

; (3.22)

;

Коэффициент теплопередачи:

;   (3.23)

Поверхностная плотность потока:

;  (3.24)

3. Определим ориентировочно значения и , исходя из того, что

;  (3.25)

где сумма  .

Найдем:   С;  (3.26)

 С; (3.27)

 С;   (3.28)

Проверка: сумма  ;

12,3 + 4,3 + 8,5 = 25,1 С;

Отсюда

 С;  (3.29)

 С;   (3.30)

Введем поправку в коэффициенты теплоотдачи, определив  .Критерий Прандтля для смеси бензол-толуол при С;

;  (3.31)

где [1, с.262]; [1, с.556]; [1, с.561].

Коэффициент теплоотдачи для смеси:

 (3.32)

Коэффициент теплоотдачи для воды:

     (3.33)

где [1, таб. XXXIX];

 

Исправленные значения К, q, и (3.23):

;

;   (3.34)

 

 С;  (3.35)

 С;  (3.36)

 

   (3.37)

  (3.38)

Дальнейшее уточнение  , и других величин не требуется, так как расхождение между крайними значениями не превышает 5%.

4. Расчетная площадь поверхности теплопередачи:

;   (3.39)

запас  

Вариант 2. Теплообменник «кожухотрубный» (ГОСТ 15120-79)

1. Скорость течения в трубах, для обеспечения турбулентного режима, должна быт более
2. Составим схему процесса теплопередачи (Рис. 3.2).

а) В трубное пространство. Определим  критерии Рейнольдса и Прандтля для  смеси бензол-толуол. Рассчитаем Рейнольдс  по формуле (3.12)

Бензол-толуол   Вода

   

 

   

 

 

     

                            

 

Рис. 3.2 (ко второму варианту расчета)

;

Критерий Прандтля (3.13).

;

где =0,14 Вт/(м К) - коэффициент теплопроводности смеси бензол-толуол [1, рис. X].

 

Для выбора формулы расчета коэффициента теплоотдачи рассчитаем значение GrPr при Re < 10000.

 

 

 

 

где - плотность воды при 48,5 С [1, таб. XXXIX]; ; и - плотности смеси при 25 и 80,5 С; =0,00045 Па с [1, с.556] - динамический коэффициент вязкости смеси при 48,5 С.

;

Для вертикального расположения труб примем выражение [1, форм. 4.28]

примем значение = 1 с дальнейшей поправкой где и вязкость смеси бензол-толуол при 48,5 С и температуре стенки соответственно. Рассчитаем по формуле (3.20).

;

Коэффициент теплоотдачи для смеси  бензол-толуол (3.15):

;

 

б) Межтрубное пространство. Рассчитаем коэффициент теплоотдачи для воды. Скорость воды в межтрубном пространстве (3.16).

;

Критерий Рейнольдса для воды (3.17):

;

где =0,0011 Па с [1, таб. XXXIX], = 998 при температуре +17,5 С;

Критерий Прандтля для воды при +17,5 С  (3.18):

;

где =0,59 Вт/(м К) - коэффициент теплопроводности воды [1, рис. XXXIX].

Для выбора формулы расчета коэффициента теплоотдачи рассчитаем значение GrPr при Re < 10000  (3.19).

;

где - плотность воды при 17,5 С [1, таб. XXXIX]; ; и - плотности воды при 10 и 25 С; =0,0011 Па с [1, таб. XXXIX] - динамический коэффициент вязкости воды при 17,5 С.