Подробный расчёт подогревателя исходной смеси

3. Подробный расчёт подогревателя исходной смеси

Рассчитать и подобрать нормализованный кожухотрубчатый теплообменника для подогрева исходной смеси, насыщенным водяным паром. Начальная температура исходной смеси, в количестве G_см=5000 кг/ч (1,3889 кг/с), t_1н=20 ⁰С, конечная t_1к=95 ⁰С.

Давление насыщенного водяного пара составляет 3 атм, температура конденсации насыщенного водяного пара составляет 133 ⁰С; удельная теплота парообразования равна 2171000 Дж/кг.

Потери в окружающую среду примем 5%.

Определяем тепловую нагрузку аппарата:

 (5.83)

где  - теплоёмкость смеси при средней температуре, [2 рис. XI с. 562], Дж/(кг∙К).

Определение расхода горячего теплоносителя:

 (5.84)

Определяем полезную разность температур:

Рисунок 10 – Зависимость изменения температуры теплоносителей от поверхности теплообмена.

 

Ориентировочный выбор теплообменника.

Рассчитываем ориентировочную поверхность теплопередачи S_ор.

 (5.85)

где Q – тепловая нагрузка аппарата, Вт;

 - полезная разность температур, ⁰С;

 - ориентировочное значение коэффициента теплопередачи, [1 таб. 2.1 с.47], Вт/(м²∙К).

Зададимся ориентировочным коэффициентом теплопередачи К_ор=240 Вт/(м²∙К).

Если у одного из теплоносителей нет изменения агрегатного состояния, в данном случае у исходной смеси, то необходимо задаться турбулентным режимом движения теплоносителя, так как при этом режиме движения жидкости наибольший коэффициент теплоотдачи. Принимаем Re=12000. Стандартные диаметры труб: 252. Тогда при Re=12000

 (5.86)

Тогда число труб на один ход составит:

 (5.87)

Выбираем теплообменник [1.табл. 2.3 с. 51].

Поверхность теплообмена S=10 м².

Длина труб L=2,0 м.

Общее число труб n=62 шт.

Число ходов z=1

Диаметр труб d=25x2 мм.

Диаметр кожуха D=325 мм.

 Пересчитываем скорость движения исходной смеси:

 (5.88)

Пересчитаем критерий Рейнольдса:

 (5.89)

Режим движения исходной жидкости, по трубному пространству, переходный, так как 2320<Re<10000.

Рисуем схему теплопередачи через стенку:

Рассчитываем действительное значение коэффициента теплопередачи:

 (5.90)

где  и - коэффициент теплоотдачи соответственно от горячего теплоносителя к стенке и от стенки к холодному теплоносителю, Вт/(м²∙К);

 - термическое сопротивление стенки.

Задаёмся t_ст1=130 ⁰С. Определяем _П – коэффициент теплоотдачи для пара, конденсирующегося на пучке вертикальных труб:

 (5.91)

Удельное количество тепла передаваемое от пара к стенке:

Определяем термическое сопротивление стенок с учетом загрязнения:

 (5.92)

где  и - термическое сопротивление стенки соответственно со стороны насыщенного пара и со стороны смеси, [1 таб. 2.2 с. 48];

 - толщина стенки, мм;

 - коэффициент теплопроводности стенки, Вт/(м∙К).

Находим температуру стенки со стороны холодного теплоносителя.

 (5.93)

Находим коэффициент теплоотдачи от стенки к исходной смеси - _см.

 (5.94)

где  - критерий Нуссельта, для переходного режима движения жидкости;

 - коэффициент теплопроводности смеси при средней температуре смеси, [2 рис. X с.561], Вт/(м∙К);

 - эквивалентный диаметр, мм.

Так как режим движения смеси по трубному пространству переходный, следовательно критерий Нуссельта определим из графика зависимости  от критерия Рейнольдса в переходной области.

где Pr, Pr_ст – критерий Прандтля соответственно при температуре жидкости и при температуре стенки [2 рис.XIII с.564].

Отсюда находим критерий Нуссельта:

где  и  - критерий Прандтля соответственно при средней температуре смеси и температуре стенки:

Тогда критерий Нуссельта:

Подставляя численные значения, получим:

Рассчитываем удельный тепловой поток от стенки к холодному теплоносителю:

Условием стационарного теплообмена является q=const. q₁≠q₂.

Снова задаёмся t_ст1 и повторяем расчёт.

t_ст1=129 ⁰С. Определяем _П – коэффициент теплоотдачи для пара, конденсирующегося на пучке вертикальных труб:

Удельное количество тепла, передаваемое от пара к стенке:

Находим коэффициент теплоотдачи от стенки к исходной смеси - _см.

где  - критерий Нуссельта, для переходного режима движения жидкости;

 - коэффициент теплопроводности смеси при средней температуре смеси, Вт/(м∙К);

 - эквивалентный диаметр, мм.

Так как режим движения смеси по трубному пространству переходный, следовательно критерий Нуссельта определим из графика зависимости  от критерия Рейнольдса в переходной области.

где Pr, Pr_ст – критерий Прандтля соответственно при температуре жидкости и при температуре стенки.

Отсюда находим критерий Нуссельта:

где  и  - критерий Прандтля соответственно при средней температуре смеси и температуре стенки:

Тогда критерий Нуссельта:

Подставляя численные значения получим:

Рассчитываем удельный тепловой поток от стенки к холодному теплоносителю:

Условием стационарного теплообмена является q=const. q₁≠q₂.

Строим график зависимости удельного теплового потока от температуры стенки.

Из графика находим:

Находим истинное значение поверхности теплопередачи

Запас площади составляет:

Оставляем выбранный нормализованный кожухотрубчатый подогреватель исходной смеси от температуры 20 ⁰С до, температуры входа в колонну, 95 ⁰С, эта температура является температурой кипения смеси.