|
ПРИМЕР РАСЧЕТА ХОЛОДИЛЬНИКА
50 т/ч 0,8 водного раствора KCl охлаждается от 105 до 40 оС водой. Последняя нагревается от 8 до 35 оС. Определить поверхность противоточного теплообменника и выбрать его по каталогу.
Составляем схему потоков и обозначаем температуры теплоносителей:
Индекс 1 отнесем к водному раствору (горячему теплоносителю), индекс 2 - к воде (холодному теплоносителю).
Определяем большую и меньшую разности температур, а также среднюю движущую силу:
Определяем средние температуры теплоносителей:
Следует заметить, что средняя температура одного из теплоносителей ищется как среднее арифметическое значение между начальной и конечной температурой только у того теплоносителя, у которого температура изменяется в теплообменнике на меньшее число градусов.
Тепловая нагрузка теплообменника с учетом потерь теплоты (5 %):
Q = 1,05 G1 c1 (t1н - t1к) = 1,05 × (50000/3600) ×3435 × 65 =3256100 Вт,
где с1 = 0,82 × 4190 = 3435 Дж/(кг × К) - теплоемкость данного водного раствора при средней температуре t1 (рис. XI, [1]).
Расход охлаждающей воды
,
гдес2 = 4190 Дж/(кг × К)- теплоемкость воды при средней температуре t2 (при температуре от 0 до 90 оС практически не изменяется).
Объемные расходы раствора и воды:
V1= G1 / r1 = 50000/(3600 × 1125) = 0,0123 м 3/ с;
V2 = G2 / r2 = 28,8/ 998 = 0,0289 м 3/ с,
где r1 = 1125 кг/м3; r2 = 998 кг/м3 (табл. IV, [1] );
m1 = 0,66 10 -3 Пас; m2 = 0,97 10 -3 Пас (рис. V, [1])
(Теплофизические характеристики определяются при t1 = 70 oC и t2 =
= 21,5 oC).
Оценим ориентировочно значение площади теплообмена, полагая по табл. 4.8 [1] Кор = 140 Вт/(м2 К) (минимальное значение):
Q 3256100
Fор = = » 480 м2
Kор D tср 140 48,5
Рассмотрим одиночный одноходовой кожухотрубчатый теплообменник со стальными трубами 25х2 мм.
Раствор (1) направляем в трубное пространство, так как он дает больше загрязнений, а воду (2) - в межтрубное пространство.
Характерный линейный размер для трубного пространства - внутренний диаметр трубы, а для межтрубного пространства - наружный.
1. Расчет коэффициента теплоотдачи для трубного пространства (раствор).
Для обеспечения турбулентного течения раствора в трубном пространстве (Re > 10000) необходима скорость:
Число труб, обеспечивающих расход раствора при Re = 10000:
По табл. 4.12 [1] по Fор и n выбираем для расчета одиночный одноходовой кожухотрубчатый теплообменник с 465 трубами. Площадь варьируется от 73 до 329 м2 в соответствии с длиной труб от 2 до 9 метров.
Итак, рассчитываем 465-трубный теплообменник с внутренним диаметром кожуха Dкож.вн. = 800 мм.
Пересчитываем скорость и критерий Рейнольдса для трубного пространства:
Режим переходный (2300<Re<10000), и расчетная формула для критерия Нуссельта (при переходном режиме теплоносителя, для трубного пространства) будет иметь вид: Nu1 = 0,008 × Re10,9 × Pr10,43(Pr1 /Prст1)0,25.
Находим Pr1 и Prст1:
с1 m13435 0,66 10-3
Pr1 = = = 4.24,
l10,535
гдеl1= 0,46 1,163 = 0,535 Вт/(м K) (рис. X, [1]);
l2 = 0,51 1,163 = 0,593 Вт/(м K) (рис. X, [1]).
Коэффициенты теплопроводности определялись при средних температурах теплоносителей (t1 = 70 oC и t2 = 21,5 oC).
Принимаем температуру стенки со стороны горячего и холодного теплоносителей: tcт1 = t1 - Dtср/ 2 = 70 - 48,5 / 2 = 45,8 oC = tcт2
При этой температуре определим теплофизические характеристики:
ccт1 = 0,81 4190 = 3394 Дж/(кгК);
mcт1 = 0,93 10-3 Пас;
l cт1 = 0,425 1,163 = 0,494 Вт/(м K).
сст1 mст1 3394 0,93 10-3
Prст1 = = = 6,39.
lст1 0,494
Найдем отношение Pr/Prст:
Pr1 /Prст1= 4,24/6,39 = 0,664.
Критерий Нуссельта для раствора:
Nu1 = 0,008 27350,9 4,240,43 (4,24/6,39)0,25 = 16,66.
a1 dвнутр
Nu1 = Þ
l1
Коэффициент теплоотдачи для раствора в первом приближении:
Nu1 l 116,66 0,535
a‘1= = = 424 Вт/(м2 К).
dвнутр 0,021
2. Расчет коэффициента теплоотдачи для межтрубного пространства (вода).
Площадь поперечного сечения межтрубного пространства:
где Dкож. вн. – внутренний диаметр кожуха, м;
dнар. – наружный диаметр труб, м;
n – число труб;
w2- cкорость воды в межтрубном пространстве:
.
Критерий Рейнольдса для воды:
Режим переходный.
Расчетная формула для критерия Нуссельта для межтрубного пространства:
для шахматных пучков при Re >1000:
где ej принимаем равным 0,6.
Теплофизические характеристики для воды при температуре 45,8 оС:
ccт2 = 4190 Дж/(кгК);
mcт2 = 0,59 10-3 Па с;
l cт2 = 0,55 1,163 = 0,640 Вт/(м K).
Вычисляем Pr2 и Prст2:
с2 m2 4190 0,97 10-3
Pr2 = = = 6,85;
l2 0,593
сст2 mст2 4190 0,59 10-3
Prст2 = = = 3,86.
lст2 0,640
Найдем отношение Pr/Prст2:
Pr2 /Prст2 = 6,85/3,86 = 1,775.
Критерий Нуссельта для воды:
Nu2 = 0,4 0,6 27010,6 6,85 0,36 (6,85/3,86)0,25 = 63,42.
Коэффициент теплоотдачи для воды в первом приближении:
Nu2 l 2 63,42 0,593
a‘2 = = = 1504 Вт/(м2 К).
dнар 0,025
Сумма термических сопротивлений:
S rcт = rст + rзагр1 + rзагр2 = dст/lст + rзагр1 + rзагр2= 0,002/46,5 + 1/5800 +
+ 1/2900 = 5,6 10 -4 м2 К /Вт,
где rст= 46,5 Вт / (м2 К) (табл. XXVIII, [1]);
rзагр1= 1/5800 м2 К/Вт (табл. XXXI, [1]);
rзагр2= 1/2900 м2 К/Вт(табл. ХХХI, [1]).
Коэффициент теплопередачи:
Уточним ранее принятые значения температур стенок со стороны горячего и холодного теплоносителя исходя из постоянства удельного теплового потока:
q’ = K’ Dtср = a’1 Dt’1 = Dt’ст / Srст= a’2 Dt’2 =
= K’ ( t1 - t2) = a1 ( t1 - tст1) = (tст1 - tст2) / Srст = a2 (tст2 - t 2),
где Dt’1 + Dt’ст + Dt’2 = Dtср
q’ = K’ Dtср = 279 48,5 = 13532 Вт/м2;
tст1 = t1 - q’ /a1 = 70 – 13532 / 424 = 38,1 oC;
tст2 = t2 + q’ / a2 = 21,5 + 13532 / 1504 = 30,5 oC.
Пересчитаем коэффициенты теплоотдачи.
Определим теплофизические характеристики водного раствора и воды при уточненных температурах стенки:
при температуре стенки со стороны раствора tст1 = 38,1 oC:
ccт1 = 0,81 4190 = 3394 Дж/(кгК);
mcт1 = 1,07 10-3 Пас;
l cт1 = 0,418 1,163 = 0,486 Вт/(м K);
при температуре стенки со стороны воды tст2 = 30,5 oC:
ccт2 = 4190 Дж/(кгК);
mcт2 = 0,8 10-3 Па с;
l cт2 = 0,525 1,163 = 0,611 Вт/(м K).
Уточненные критерии Prcт1 и Prст2 :
сст1 mст1 3394 1,07 10-3
Prст1 = = = 7,47;
lст1 0,486
сст2 mст2 4190 0,8 10-3
Prст2 = = = 5,49.
lст2 0,611
Найдем отношения Pr/Prст:
Pr1 /Prст1 = 4,24/7,47 = 0,568 (в первом приближении - 0,664);
Pr2 /Prст2 = 6,85/5,49 = 1,248 ( в первом приближении - 1,775).
Уточненные коэффициенты теплоотдачи:
a1 = a‘1 (0,568 / 0,664)0,25 = 424 (0,568 / 0,664)0,25 = 408 Вт /(м2 К),
a2 = a‘2 (1,248 / 1,775)0,25 = 1504 (1,248 / 1,775)0,25 = 1377 Вт /(м2 К).
Коэффициент теплопередачи:
Проверяем принятые температуры стенок:
K Dtср 268 × 48,5
tст1 = t1 – = 70 – = 38,1 оС
a1 408
K × Dtср 268 × 48,5
tст2 = t2 + = 21,5 + = 30,9 оС
a2 1377
Температуры стенок практически не отличаются от ранее принятых. Расчет закончен.
Определяем расчетную площадь поверхности теплообмена:
По таблице 4.12 [1] выбираем теплообменник с 465 трубами с поверхностью F = 329 м2, длина труб - 9 метров.
Запас поверхности теплообмена:
.
Таблица 2 Кожухотрубчатых холодильников по ГОСТ 15118-79, ГОСТ 15120-79, ГОСТ 15122-79
Диаметр
кожуха,
мм
| Диаметр труб, мм
| Число
ходов
| Общее
число
труб
| Поверхность теплообмена м2 труб, м при длине L м
| Smin в мтр
пр-ве, м2
| S , 1 хода по трубам, м2
| 1,0
| 1,5
| 2.0
| 3,0
| 4,0
| 6,0
| 9,0
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| 20x2
|
|
| 1,0
| 2,0
| 2,5
| 3,5
| -
| -
| -
| 0,003
| 0,004
| 25x2
|
|
| 1,0
| 1,5
| 2,0
| 3,0
| -
| -
| -
| 0,004
| 0,005
|
| 20x2
|
|
| 4,0
| 6,0
| 7,5
| 11,5
| -
| -
| -
| 0,007
| 0,012
| 25x2
|
|
| 3,0
| 4,5
| 6,0
| 9,0
| -
| -
| -
| 0,009
| 0,013
|
| 20x2
|
|
| -
| 9,5
| 12,5
| 19,0
| 25,0
| -
| -
| 0,011
| 0,020
|
|
| -
| 8,5
| 11,0
| 17,0
| 22,5
| -
| -
| 0,011
| 0,009
| 25x2
|
|
| -
| 7,5
| 10,0
| 14,5
| 19,5
| -
| -
| 0,013
| 0,021
|
|
| -
| 6,5
| 9,0
| 13,0
| 17,5
| -
| -
| 0,013
| 0,010
|
| 20x2
|
|
| -
| -
| 23,0
| 34,0
| 46,0
| 68,0
| -
| 0,017
| 0,036
|
|
| -
| -
| 21,0
| 31,0
| 42,0
| 63,0
| -
| 0,017
| 0,017
| 25x2
|
|
| -
| -
| 17,0
| 26,0
| 35,0
| 52,0
| -
| 0,020
| 0,038
|
|
| -
| -
| 16,0
| 24,0
| 31,0
| 47,0
| -
| 0,020
| 0,017
|
| 20x2
|
|
| -
| -
|
|
|
|
| -
| 0,041
| 0,078
|
|
| -
| -
|
|
|
|
| -
| 0,041
| 0,037
|
|
| -
| -
|
|
|
|
| -
| 0,041
| 0,016
|
|
| -
| -
|
|
|
|
| -
| 0,037
| 0,009
| 25x2
|
|
| -
| -
|
|
|
|
| -
| 0,040
| 0,089
|
|
| -
| -
|
|
|
|
| -
| 0,040
| 0,042
|
|
| -
| -
|
|
|
|
| -
| 0,040
| 0,018
|
|
| -
| -
|
|
|
|
| -
| 0,037
| 0,011
|
| 20x2
|
|
| -
| -
|
|
|
|
|
| 0,069
| 0,144
|
|
| -
| -
|
|
|
|
|
| 0,069
| 0,069
|
|
| -
| -
|
|
|
|
|
| 0,069 .
| 0,030
|
|
| -
| -
|
|
|
|
|
| 0,065
| 0,020
| 25x2
|
|
| -
| -
|
|
|
|
|
| 0,070
| 0,161
|
|
| -
| -
|
|
|
|
|
| 0,070
| 0,077
|
|
| -
| -
|
|
|
|
|
| 0,070
| 0,030
|
|
| -
| -
|
|
|
|
|
| 0,065
| 0,022
|
| 20x2
|
|
| -
| -
| -
|
|
|
|
| 0,101
| 0,236
|
|
| -
| -
| -
|
|
|
|
| 0,101
| 0,114
|
|
| -
| -
| -
|
|
|
|
| 0,101
| 0,051
|
|
| -
| -
| -
|
|
|
|
| 0,096
| 0,034
| 25x2
|
|
| -
| -
| -
|
|
|
|
| 0,106
| 0,259
|
|
| -
| -
| -
|
|
|
|
| 0,106
| 0,124
|
|
| -
| -
| -
|
|
|
|
| 0,106
| 0,124
|
|
| -
| -
| -
|
|
|
|
| 0,102
| • 0,036
|
| 20x2
|
|
| -
| -
| -
|
|
|
|
| 0,145
| 0,342
|
|
| -
| -
| -
| -
|
|
|
| 0,145
| 0,165
|
|
| -
| -
| -
| -
|
|
|
| 0,145
| 0,079
|
|
| -
| -
| -
| -
|
|
|
| 0,131
| 0,049
| 25x2
|
|
| -
| -
| -
| -
|
|
|
| 0,164
| 0,375
|
|
| -
| -
| -
| -
|
|
|
| 0,164
| 0,179
|
|
| -
| -
| -
| -
|
|
|
| 0,164
| 0,084
|
|
| -
| -
| -
| -
| 301 .
|
|
| 0,147
| 0,052
|
Таблица 3 Свойства воды
Давление
(абсолютное)
Р,кгс/см2
| Температура, °С
| Удельный объем v, м3/кг
| Плотность , кг/м3
| Удельная энтальпия кДж/кг
| Удельная энтальпия пара
i , кДж/кг
| Уд. теплота парообразования , кДж/кг
|
|
|
|
|
|
|
| 1,0
| 99,1
| 1,727
| 0,5790
| 415,2
|
|
| 1,2
| 104,2
| 1,457
| 0,6865
| 437,0
|
|
| 1,4
| 108,7
| 1,261
| 0,7931
| 456,3
|
|
| 1,6
| 112,7
| 1,113
| 0,898
| 473,1
|
|
| 1,8
| 116,3
| 0,997
| 1,003
| 483,6
|
|
| 2,0
| 119,6
| 0,903
| 1,107
| 502,4
|
|
| 3,0
| 132,9
| 0,6180
| 1,618
| 558,9
|
|
| 4,0
| 142,9
| 0,4718
| 2,120
| 601,1
|
|
| 5,0 |
| 151,1
| 0,3825
| 2,614
| 637,7
|
|
| 6,0 |
| 158,1
| 0,3222
| 3,104
| 667,9
|
|
| 7,0
| 164,2
| 0,2785
| 3,591
| 694,3
|
|
| 8,0
| 169,6
| 0,2454
| 4,075
| 1 718,4
|
|
|
1. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Учебное пособие для вузов / Под редакцией члена-корреспондента АН СССР П.Г.Романкова. - 10-е издание, переработанное и дополненное. - Л.: Химия, 1987. – 576 с., ил.
2. Романков П.Г., Фролов В.Ф., Флисюк О.М., Курочкина М.И. Методы расчета процессов и аппаратов химической технологии (примеры и задачи). - Л.: Химия, 1993. - 496 с.
3. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии . Учебник для вузов. - 9-е изд., исправл. - М.: Химия, 1973. - 752 с.
4. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию / Г.С. Борисов, В.П. Брыков, Ю.И. Дытнерский и др. Под редакцией Ю.И. Дытнерского, 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Химия, 1991. - 496 с.
5. Плановский А.Н., Николаев П.И. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии: Учебник для вузов. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Химия, 1987. - 496 с.
6. Циборовский Я. Процессы и аппараты химической технологии. Перевод с польского под редакцией П.Г.Романкова. - Л.: Государственное научно-техническое издательство химической литературы, 1958. - 932 с.
7. Хоблер Т. Теплопередача и теплообменники: Пер. с польск. - Л.: Госхимиздат, 1961. - 820 с.
8. Кичигин М.А., Костенко Г.Н. Теплообменные аппараты и выпарные установки. - М. -Л.: Госэнергоиздат, 1955. - 392
9. Яблонский П.А. Проектирование тепло- и массообменной аппаратуры химической промышленности. - Л.: ЛТИ им. Ленсовета, 1978. - 85 с.
10. Уонг Х. Основные формулы и данные по теплообмену для инженеров: Пер. с англ. - М.: Атомиздат, 1979. - 216 с.
11. Кириллов П.Л., Юрьев Ю.С., Бобков В.П. Справочник по теплогидравлическим расчетам (ядерные реакторы, теплообменники, парогенераторы). - М.: Энергоатомиздат, 1984. - 296 с.
12. Справочник по теплообменникам: В 2-х т. Т.1 / Пер. с англ., под ред. Б.С. Петухова, В.К. Шикова.: М.: Энергоатомиздат, 1987. - 560 с.
13. Справочник по теплообменникам: В 2-х т. Т.2 / Пер. с англ., под ред. О.Г. Мартыненко и др.: М.: Энергоатомиздат, 1987. - 352 с.
14. Хаузен Х. Теплопередача при противотоке, прямотоке и перекрестном токе: Пер. с немецк. - М.: Энергоиздат, 1981. - 384 с.
15. Жукаускас А.А. Конвективный перенос в теплообменниках. - М.: Наука, 1982. - 472 с.
16. Черепенников И.А. Примеры теплового расчета теплообменника: Методич. указания. - Тамбов: ТИХМ, 1973. - 34 с.
Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту:
©2015 - 2024 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.
|