Расчет теплообменного аппарата кожухотрубчатого типа

ИНЖЕНЕРНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ
Кафедра «Химической технологии и промышленной экологии»
Самарского государственного технического университета
КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА №2
Расчет теплообменного аппарата кожухотрубчатого типа
Выполнил: студент 3 - ИТ - III
Шибаев Владимир
____________
(подпись)
Проверил: Филлипов В.В.
_____________
(подпись)
2
Содержание.
1. Задание на расчет кожухотрубчатого теплообменника………………….…1
2. Расчет кожухотрубчатого теплообменника:
2.1
Расчет средней разницы температур между теплоносителями........2
2.2
Расчет средней температуры каждого теплоносителя….......……...2
2.3
Теплофизические свойства теплоносителей при их средних
температурах………………………………………………………………………2
2.4
Расчет объемного и массового расхода теплоносителя.....................3
2.5
Расчет тепловой нагрузки на аппарат..................................................3
2.6
Расчет массового и объемного расхода хладагента...........................3
2.7
Расчет средней скорости потока хладагента.......................................3
2.8
Расчет критерия Рейнольдса и режим движения каждого потока....3
2.9
Расчет ориентировочных коэффициентов теплоотдачи для каждого
потока……………………………………………………………………………...3
2.10
Расчет ориентировочного коэффициента теплопередачи без учета
загрязнения стенки..................................................................................................5
2.11
Расчет ориентировочного коэффициента теплопередачи с учета
загрязнения стенки..................................................................................................5
2.12
Расчет температуры стенки со стороны каждого потока и
перерасчет значений коэффициентов теплопередачи, теплоотдачи, удельной
теплопроводимости................................................................................................5
2.13
Расчет необходимой площади теплообмена......................................7
2.14
Подбор диаметров штуцеров для ввода и вывода потоков...............7
2.15
Расчет гидравлического сопротивления трубного и межтрубного
пространств, исходя из допустимых скоростей их движения...........................7
3. Выводы и рекомендации..................................................................................9
4. Библиография...................................................................................................10
3
РАСЧЕТ КОЖУХОТРУБЧАТОГО ТЕПЛООБМЕННИКА
t2н
t1к
t1н , 1
t2к
1.
Расчет средней разницы температур между теплоносителями
Для этого определим среднюю разность температур при прямотоке
теплоносителей:
100
50
20
40
80
10
tср прям 
tб  t м 80  10

 33,662884290C
tб
80
ln
ln
10
tм
Для этого определим среднюю разность температур при противотоке
теплоносителей:
100
50
40
20
60
30
tср против 
tб  t м 60  30

 43,280851230C
t
60
ln
ln б
30
tм
Так как внутри двух ходового кожухотрубчатого теплообменника нет
четко определенного тока теплоносителей, то найдем среднюю температуру
между противотоком и прямотоком, которая и будет использоваться в
дальнейших расчетах:
4
 t 
ср ср

tср прям  tср против
2

33,66288429+43,28085123
 38,471867760C
2
Рассчитаем среднюю температуру каждого теплоносителя:
2.
t
ср1

t1н  t1к 100  50

 750 С
2
2
t
ср 2

t2 н  t2 к 20  40

 300 С
2
2
3.
Выпишем теплофизические свойства теплоносителей при их
средних температурах.
Таблица 1
Горячий теплоноситель (1)
Хладагент (2)
октан
вода
ρ1, кг/м3
657
4.
С1,
Дж/кг  К
μ1, Па с
2056
0,000306
λ1,
Вт/(м
К)
0,1095
С2, Дж/кг  К μ2, Па с
λ2, Вт/(м К)
996
4180
0,618
0,000804
Рассчитаем массовый и объемный расходы теплоносителя:
V1  1S1 
1 d12 n 1.7  3.14  0.0212  402
4 z

42
G1  V11  0,1183  657=77,7175 кг
5.
ρ2, кг/м3
 0,1183 м
3
с
c
Рассчитаем тепловую нагрузку аппарата:
Так как в заданном нам процессе не происходит изменение агрегатного
состояние ни вещества теплоносителя, ни вещества хладагента, то тепловая
нагрузка находится по формуле
Q  C1G1  t1н  t1к   2056  77,7175  100-50  7989354,82 Вт
6.
Рассчитаем массовый и объемный расход хладагента:
Исходя из теплового баланса и ранее найденной тепловой нагрузки на
аппарат, получим:
G2 
Q
7989354,82

 95,5664 кг
с
C2  t2 к  t2 н  4180   40  20 
V2 
G2
2

3
95,5664
 0,096 м
с
996
5
7.
Рассчитаем среднюю скорость хладагента:
V2  2 S2  2 
8.
V2
V2
0,096


 0,1632 м
с

3.14
S2
2
2
2
2
D  nd 
1  402  0.025 


4
4
Рассчитаем критерий Рейнольдса и режим движения каждого
потока:
Re1 
1d1 1 1.7  0.021 657

 76650>10000
1
0.000306
развитое
-
турбулентное
движение
 d  2   2   D  nd
Re 2  2 э 2 
2
2  D  nd 
2
2
  0,1632  996  1
2
 402  0.0252 
0.000804  1  402  0.025 
 13703,0565>10000
- развитое турбулентное движение
9.
Рассчитаем ориентировочные коэффициенты теплоотдачи для
каждого потока.
Коэффициент теплоотдачи находится по формуле

Nu  
d э . Для
расчета необходимо подобрать критериальное уравнение расчета критерия
Нуссельта.
Так как горячий поток движется турбулентно в прямых трубах, то
критериальное уравнение для расчета критерия Нуссельта будет выглядеть
так:
Nu1  0.021 l Re Pr
0.8
0.43
1
 Pr1 


 Pr1ст 
0,25
,
где
 Pr 


 Prст 
0,25
1
для
охлаждающихся
жидкостей при допустимой погрешности,  l - коэффициент зависящий от
геометрии аппарата и режима движения потока берется их таблицы 2, Pr1 критерий Прандтля.
Таблица 2
Значение Re
Отношение L/d
10
20
30
40
50 и более
10000
1,23
1,13
1,07
1,03
1
20000
1,18
1,1
1,05
1,02
1
6
50000
1,13
1,08
1,04
1,02
1
100000
1,1
1,06
1,03
1,02
1
1000000
1,05
1,03
1,02
1,01
1
Коэффициент Прандтля находится по формуле:
Pr1 
С11
1

2056  0, 000306
 5,745534247
0,1095
Подставляя
вышеполученное,
находим
критерий
Нуссельта
и
ориентировочный коэффициент теплоотдачи:
Nu1  0.021 l Re Pr
0.8
 '1 
0.43
1
 Pr1 


 Pr1ст 
0,25
 0, 0211 766500,8  5,7455342470,43 1  334,829759
Nu1  1 334,829759  0,1095

 1745,898029 Вт 2
м К
d
0,021
Так как холодный поток поперечно обтекает пучок гладких труб при их
шахматном расположении, при турбулентном режиме движения жидкости,
то критериальное уравнение для нахождения критерия Нуссельта имеет вид:
Nu2  0.4  Re Pr2
0.6
 Pr 


 Prст 
0.36
 Pr2 


 Pr2 ст 
0.25
,
где
Pr2
критерий
-
Прандтля,
0,25
1
для нагревающихся жидкостей при допустимой погрешности,

-
коэффициент учитывающий влияние угла атаки φ находится по таблице 3.
Таблица 3
φ
90
80
70
60
50
40
30
20
10

1
1
0,98
0,94
0,88
0,78
0,67
0,52
0,42
Коэффициент Прандтля находится по формуле:
Pr2 
С2  2
2

4180  0, 000804
 5,42
0, 618
Подставляя
вышеполученное,
находим
критерий
Нуссельта
и
ориентировочный коэффициент теплоотдачи:
7
Nu2  0.4  Re Pr2
0.6
2
 '2 
0.36
 Pr2 


 Pr2 ст 
0.25
 0, 4 1 13703,05650,6  5,420,36 1  359,1130
Nu2  2 Nu2  2  D  nd  359,1130  0,000804  1+402  0.025 


 3275,2541 Вт 2
2
2
2
2
м К
dэ
 D  nd 
1  402  0.025 
Рассчитаем ориентировочный коэффициент теплопередачи без
10.
учета загрязнений стенки
K '0 
1
1
1

 cт 1
Вт

  46,5
cт  2 , где cт
м  К - коэффициент теплопроводности
стенки теплообменника
K '0 
1
1  cт
1


 '1 cт  '2
1
Вт
 1085,6564 2
1
0.002
1
м К


1745,898029 46.5 3275,2541

Рассчитаем ориентировочный коэффициент теплопередачи с
11.
учета загрязнений стенки
Найдем термическое сопротивление стенки и загрязнений:
 rст 
1
rзагр1

 ст
1
1
0.002
1
м2  К




 0,0004
ст rзагр 2 5800 46.5 5800
Вт
Ориентировочный коэффициент теплопередачи с учетом загрязнения
стенки:
K' 
1
1

12.
'
1
  rст 
1

'
2

1
1
1
 0,0004+
1745,898029
3275,2541
 789,9335
Вт
м2  К
Рассчитаем температуру стенки со стороны каждого потока и
перерасчет значений коэффициентов теплопередачи, теплоотдачи, удельной
теплопроводимости.
8
tcр 2
tcр1
tcт 2
tcт1
q
2
1
rзагр

rзагр
'
'
Определим ориентировочно значения tст1 и tст1 , исходя из того что
q'  K ' tcp  1' ; t1' 
1
 t2'   2' t2'
r
 cт
'
'
'
, где сумма t1  tcт  t2  tср
Найдем:
q '  K ' tcp  789,9335  38,47186776=30390,2182
t1' 
q'

'
1

Вт
м2
30390,2182
 17,4066 K
1745,898029
'
tст
 q'  rст  30390,2182  0,0004=11,7865 K
t2' 
q'

'
2

30390,2182
 9,2787 K
3275,2541
Проверка
суммы
'
t1'  tcт
 t2'  tср
:
17,4066 K+11,7865 K+9,2787 K=38,4719 K=3 8,4719 0C
Исходя из этого, получим
'
'
0
tcт
1  tcp1  t1  75-17,4066=57,5934 C
'
'
0
tcт
2  tcp 2  t2  30+9,2787=39,2787 C
9
 Pr 


Prст 

Введем поправку к коэффициенту теплоотдачи, определив
0,25
.
'
0
Критерий Прандтля для октана при tcт1  57,5934 C
Prcт1 
Сст1ст1
, где Сст1 , ст1 , ст1 - найдены с помощью метода кусочно-
ст1
линейной интерполяции и сведены в таблицу 4.
Таблица 4
Св-ва потока (1) при t'ст1
Prcт1 
Сст1, Дж/кг  К
μст1, Па  с
λст1, Вт/м  К
2105,35684
0,00036
0,14824
Сст1ст1

ст1
2105,35684  0,00036
 5,0938
0,14824
'
0
Критерий Прандтля для воды при tcт 2  39,2787 C
Prcт 2 
Сст 2 ст 2
ст 2
, где Сст2 , ст2 , ст2 - найдены с помощью метода кусочно-
линейной интерполяции и сведены в таблицу 5.
Таблица 5
Свойства потока (2) при t'ст2
Prcт 2 
Сст2, Дж/кг  К
μст2, Па  с
λст2, Вт/м  К
4180
0,0007
0,6328
Сст 2 ст 2
ст 2

4180  0, 0007
 4,41
0,6328
Коэффициенты теплоотдачи:
- для октана
 Pr 
1    1 
 Pr ст1 
'
1
0,25
 5,7455 
 1745,898029 

 5,0938 
0,25
 1799,2436
Вт
м2  К
- для воды
10
 Pr 
2    2 
 Pr ст 2 
0,25
'
2
 5,42 
 3275,2541

 4,41 
0,25
 3448,5301
Вт
м2  К
Исправленные значения К, q, tст1, tст2
1
K
1
1
  rст 

1
2
1
Вт
 810,6316 2
1
1
м К
 0,000387838+
1799,2436
3448,5301
q  K tcp  810,6316  38,47186776=31186,5099
tcт1  tcp1 
q
1
tcт 2  tcp 2 
=30-
q
2
Вт
м2
31186,5099
=57,6669 0C
1799,2436
=30+
31186,5099
=39,0434 0C
3448,5301
Дальнейшее уточнение α1, α2 и других величин не требуется, так как
'
'
расхождение между α1,  1 и α2,  2 и других не превышает 5%.
13.
Рассчитаем необходимую площадь поверхности теплообмена:
Fрасч 
Q 7989354,82

 256,1798 м 2
q 31186,5099
С запасом в 10%
14.
Fрасч  281,7978 м2
Подберем диаметры штуцеров для ввода и вывода потоков,
исходя из допустимых скоростей их движения:
D1 
4V1
1

4  0,1183
 0,2977 м
3.14 1.7
Выбираем из стандартного ряда диаметр входного и выходного
штуцера для горячего потока
D2 
4V2
2

Dy  400 мм
4  0,096
 0,8653 м
3.14  0,1632
Выбираем из стандартного ряда диаметр входного и выходного
штуцера для холодного потока
Dy  500 мм
, так как расчетное значение
больше чем стандартное изделие, то необходимо увеличить количество
штуцеров для холодного потока.
11
15.
Рассчитаем
гидравлическое
сопротивление
трубного
и
межтрубного пространств.
Гидравлическое сопротивление в трубном и межтрубном пространстве
складывается потерь на трение и местных сопротивлений.
2
 L

hпот1      i  1
 d
 2g ,
где

0,316
Re 0.25
-
формула
Блазиуса,
для
турбулентного движения в гладких трубах, i - сумма коэффициентов
учитывающих разные местные сопротивления, в частности для трубного
пространства характерны местные сопротивления вида: «вход в трубу»,
«выход из трубы», где таких местных сопротивлений n штук (n – количество
трубок). Исходя из этого

i
 402   0, 2  0, 2  1  1  964,8
.
Тогда гидравлическое сопротивление:
2
5
 0,316
 1, 7 2
 L

hпот1      i  1  

964,8
 2  9,8  6915,1248 м
0,25
 d
 2 g  76650 0, 021

Гидравлическое сопротивление в межтрубном пространстве:
hпот 2
 L
 22
     i 
 dэ
 2 g , где

i
- сумма коэффициентов учитывающих
разные местные сопротивления, в частности для трубного пространства
характерны местные сопротивления вида: «вход в трубу», «выход из трубы»,
«внезапное расширение», «внезапное сужение», «поворот потока».
Исходя
из
этого

i
 2  0, 2  0, 2  1  1, 28  0, 21  3,6576
.
Тогда
гидравлическое сопротивление:
hпот 2
 2
 L
 22  0,316 L  D  nd 
     i 

  i  2 
0,25
2
2

 2g
d
2
g
Re
D

nd

 э

 2 


 0,3264897842
5 1  402  0.025 
0.316



3.6576
 2,857008542 м
 27406,112990.25 12  402  0.0252 

2  9.8


12
ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.
Необходимый процесс охлаждения провести в заданном нам аппарате
невозможно, так как площадь поверхности теплообмена у заданного аппарата
много меньше необходимой ( F  n dL  402  3.14  0.025  5  157,785 м ).
2
Чтобы проводить заданный процесс необходимо либо изменить
конструкцию аппарата (увеличить количество ходов, «оребрить» трубки), что
несомненно приведет к большим денежным затратам и сложностью
обслуживания самого аппарата, либо последовательно выстроить 4 таких
аппарата, что в существенной мере сократит расходы на обслуживание, но
монтаж такой системы и ее «большие площади» приведут к росту
постоянных затрат.
БИБЛИОГРАФИЯ
1. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу
процессов и аппаратов химической технологии: Учебное пособие для вузов. – 12-е изд.,
стереотипное. Перепеч. с изд. 1987 г. – М.: ООО ТИД «Альянс», 2005. – 575 с.
2. Измайлов В.Д., Филлипов В.В. Справочное пособие для расчетов по процессам
и аппаратам химической технологии. Самара, СамГТУ, 2006, 43 с.
3. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии:
Учебник для вузов. – 11-е изд., стереотипное доработанное. Перепеч. с изд. 1973 г. – М.:
ООО ТИД «Альянс», 2005 – 753 с.
13