Теплопроводность Вт/(м К) 0.678

3.2.3.2 Расчет теплообменника с турбулентным режимом течения

Турбулентный режим течения достигается при Re более 10000.

Ориентировочно подберем теплообменник. Для этого зададимся:

Re=11000

К_ор = 1000

Приблизительно оценим площадь теплообмена необходимого теплообменника:

(21)

м²

Будем выбирать из теплообменников с трубами 20х2. Скорость раствора в таком теплообменнике будет равна:

(22)

где w_тр – скорость течения раствора в трубном пространстве м/с;

d_экв – эквивалентный диаметр, м;

м/с

Площадь трубного пространства найдем по формуле:

(23)

, где G – расход раствора, кг/с.

м²

По этим данным мы можем приблизительно выбрать теплообменник:

Табл. 2. Параметры кожухотрубчатого теплообменника

D, мм	d, мм	Число ходов	n, шт.	Np	F, м^2	Sтр.,м^2
l=2 м
					12.5	0.02

Найдем для этого теплообменника скорость потока рассола при G_нач и значение критерия Re:

м/с

Отсюда

Для расчётов коэффициент теплоотдачи a_конд, a_кип воспользуемся методом итераций.

Примем температуру наружной стенки трубы t_ст1 равной:

t_ст1=114,6 °С

При конденсации греющего пара на пучке горизонтальных труб, выражение для коэффициента теплоотдачи имеет следующий вид / 2, формула 4.54 /:

(24)

где d – внешний диаметр труб, м

Dt – разность температур конденсаций греющего пара t_{конд.гр.п.} и температуры стенки t₁, с;

Значение функции Аt найдём при температуре t_{конд.гр.п.} / 2, табл. 4.6 /

At=7240

Dt = t_{конд.гр.п..}- t_ст1 (25)

Dt =121-114.6=6.4 °С

d=0.02 м

Вт/(м² К)

Количество теплоты q₁, передаваемое от конденсирующегося пара к стенке, найдём по формуле:

q₁=a_конд(t_{конд.гр.п..}- t_ст1) (26)

q₁=1.54 10⁴ 6.4=9.86 10⁴ Вт

Так как процесс теплопередачи является установившемся, то количество теплоты q₁ равно количеству теплоты q_ст, которое передаётся от наружной стенки трубы с температурой t_ст1 к внутренней, с температурой t_ст2.

(27)

Суммарное термическое сопротивление стенки найдём по формуле:

(28)

где d - толщина стенки трубы, м;

l_ст - коэффициент теплопроводности трубы, Вт/(м К)

r_загр1, r_загр2 – термическое сопротивление слоев загрязнения с наружной и внутренней сторон стенки соответственно, м² К/Вт

Определим значения величин r_загр1, r_загр2 / 2, табл. ХХХI /

r_загр1=1/5800=1.724 10^-4 м² К/Вт

r_загр2=1/2400=4.167 10^-4 м² К/Вт

Коэффициент теплопроводности l_ст для нержавеющей стали равен:

l_ст=17.5 Вт/(м К)

Толщину стенки трубы примем:

d=0.002 м

м² К/Вт

Температуру t_ст2 найдём из формулы (17)

t_ст2= t_ст1-q₁ ∑r_ст

t_ст2=114,6-9,86 10⁴ 7.034 10^-4=45.24 °С

Коэффициент теплоотдачи при турбулентном режиме течения жидкости в трубах найдем из формулы / 2, формула 4.11 /:

где d – внутренний диаметр труб, м.

l - коэффициент теплопроводности, Вт/м*К

Критерий Nu найдем по формуле / 2, формула 4.17 /:

, где e - поправочный коэффициент.

Критерий Pr найдем по формуле:

Исходные данные критерия Pr возьмем при средней температуре раствора t_ср.р и начальной концентрации Х_нач.

с=3,588 10³ Дж/кг К

l=0,574 Вт/м*К

µ=7,334 10^-4 Па с

Исходные данные критерия Pr_ст найдем при температуре стенки t₂ и начальной концентрации Х_нач:

µ_ст=7,303 10^-4 Па с

с=3,592 10³ Дж/кг К

l=0,572 Вт/м*К

Определим критерий Nu при поправочном коэффициенте e=1:

Найдем коэффициент теплоотдачи внутренней стенки a₂:

Вт/(м² К)

Количество теплоты q₂, передаваемое от внутренней стенки к раствору:

q₂=a₂ (t_ст2- t_ср.р)

q₂=2,12∙10³ (110-63,7)=8.815 10⁴ Вт

Определим значение выражения:

Е=|q₁-q₂|/min(q₁,q₂), если Е<0.05 то расчёт коэффициентов теплоотдачи выполнен верно.

Е=(9,856 10⁴-8.815 10⁴)/9.856 10⁴=0.0042

Тогда:

Вт/(м² К)

м²

Произведём выбор аппарата по каталогу / 3,приложение 4.2 /. Для этого найденную площадь поверхности теплообмена следует увеличить на 10-20 %, для обеспечения запаса производительности.

F_т.=1.2 F

F_т.=1.2 7,28=8,74 м²

где F_т. – площадь выпарного аппарата с учётом запаса производительности, м²;

3.2.3.3 Выбор теплообменного аппарата по каталогу

Производим выбор подходящего нам теплообменника по каталогу / 3,приложение 4.2 /.

Табл. 2. Параметры кожухотрубчатого теплообменника

D, мм	d, мм	Число ходов	n, шт.	Np	F, м^2	Sтр.,м^2
l=1.5 м
					9.5	0.02

3.2.4 Расчёт гидравлического сопротивления кожухотрубного теплообменника

Скорость жидкости в трубах:

(29)

Скорость раствора для первого подогревателя w_тр1, м/с:

м/с

Коэффициент трения l рассчитывается по формуле / 3, ф-ла. 2.31 /:

(30)

где е – относительная шероховатость труб;

е=D/d_экв (31)

где D - высота выступов шероховатостей (в расчётах можно принять D=0.2 мм)

Тогда относительная шероховатость труб для теплообменника:

е1=0.2/(20-4)=0.0125

Коэффициент трения для теплообменника l₁:

Диаметр штуцеров в распределительной камере d_тр.ш=150 мм / 3, табл. 2.6 / (для каждого теплообменника, скорость в штуцерах w_тр.ш, м/с:

м/с

Формула для определения гидравлического сопротивления в трубном пространстве Dр_тр, Па / 3, ф-ла. 2.35 /:

(32)

где x_вх и x_вых – коэффициенты местных сопротивлений, равные 0,5 и 1 соответственно.

Гидравлического сопротивления в трубном пространстве теплообменника Dр_тр:

= 3535.73 Па

Определим потери мощности на теплообменнике по формуле:

(33)

где h- КПД нагнетателя. КПД для большинства насосов 0,7-0,9. Зададимся КПД 0,8.

кВт

Диаметр штуцеров к кожуху d_мтр.ш / 3, табл. 2.6 /:

d_мтр.ш=100 мм

Скорость потока в штуцерах по ф-ле. (31):

Скорость жидкости в наиболее узком сечении межтрубного пространства S_м.тр=0.016:

Скорость жидкости в наиболее узком сечении межтрубного пространства S_м.тр=0.015:

Значение Re межтрубного пространства:

(34)

Гидравлическое сопротивление межтрубного пространства Dр_мтр, Па / 3, ф-ла. 2.36 /:

(35)

=334.97 Па

3.3. Расчёт холодильника упаренного раствора.

3.3.1. Определение средних температур теплоносителей.

t, °С

t_кон=84,27

Dt_б

t’_кон=40

t_кон.в= 22 Dt_м

t_нач.в=10

F

Рис. 2 Температурная схема движения теплоносителей при противотоке

t_кон,t’_кон – температура упаренного раствора до и после холодильника, °С;

t_нач.в,t_кон.в – температура охлаждающей воды до и после холодильника, °С;

Конечную температуру воды и упаренного раствора выбираем самостоятельно, причём t’_кон следует принять из интервала 40-30 °С.

По формулам (24-26) определяем:

Dt_б = 85,71 – 22= 63,71°С

Dt_м = 40 – 10 = 30°С

°С

Среднюю температуру воды найдём как среднее арифметическое t_вод.ср., °С:

t_вод.ср= (t_нач.в+t_кон.в)/2 (36)

t_вод.ср= (10+22)/2=16 °С

Средняя температура раствора t_ср.р, °С:

t_ср.р= t_вод.ср+Dt_ср (37)

t_ср.р=16+44.581=60.76 °С

3.3.2. Тепловой баланс холодильника.

Количество теплоты, которое необходимо отвести от раствора для его охлаждения:

Q= G_кон с_кон (t_кон-t’_кон) (38)

где G_кон – расход упаренного раствора кг/с;

с_кон – удельная теплоёмкость раствора при t_ср.р.­ и Х_кон, Дж(кг К)

Удельная теплоёмкость раствора с_кон раствора при t_ср.р.­ и Х_кон

(Приложение 2, п.3):

с_кон=3852 Дж(кг К)

Расход упаренного раствора G_кон,кг/с по формуле (2):

G_кон=0.432 кг/с

Q=0.432 3852 (85.71-40)=7.61 10⁴ Вт

Так как вся отводимая от раствора теплота передаётся охлаждающей воде, то её расход можно найти по формуле:

(39)

где G_вод – расход охлаждающей воды, кг/с;

с_вод – теплоемкость воды при температуре t_вод.ср.,Дж/(кг К)

Удельная теплоемкость воды при температуре t_вод.ср (Приложение 2 п.3):

с_вод=4193 Дж/(кг К)

кг/с

3.3.3. Ориентировочный расчёт холодильника.

Зададимся ориентировочным коэффициентом теплопередачи от жидкости к жидкости / 2, табл. 4.8 /:

К_ор=1000 Вт/(м² К)

Рассчитаем ориентировочную площадь теплообмена по формуле (23);

м²

Рассчитаем скорость течения раствора w_тр по трубному пространству холодильника с диаметром труб d=20 мм и площадь сечения S_тр трубного пространства, необходимые для обеспечения турбулентного режима течения раствора по формулам (29,30).

Плотность раствора r_р и коэффициент динамической вязкости m_р при t_ср.р. (Приложение 2, п.1,п.2)

r_р=1069.47 кг/м³

m_р=4.636 10^-4 Па с

м/с

м²

Рассчитаем скорость течения в воды межтрубном w_межтр и площадь сечения S_межтр межтрубного пространства, необходимые для обеспечения турбулентного режима.

(40)

Плотность воды r_в и коэффициент динамической вязкости m_в при t_вод.ср. (Приложение 2, п.1,п.2)

r_в=983.12 кг/м³

m_в=1.076 10^-3 Па с

Эквивалентный диаметр при поперечном обтекании равен наружному диаметру трубы d.

м/с

(41)

м²

3.3.4. Выбор холодильника упаренного раствора.

Для обеспечения турбулентного режима номинальные площади проходных сечений трубного и межтрубного пространств должны быть меньше рассчитанных. Исходя из площади теплообмена и величин полученных проходных сечений мы должны выбрать теплообменник с наиболее подходящими параметрами, проанализировав данные расчёта делаем вывод, что для обеспечения требуемых параметров, необходимо использовать два, последовательно соединённых одноходовых аппарата. По каталогу / 3, табл. 2.3 /

Табл 3. Параметры кожухотрубчатого теплообменника

D, мм	d, мм	Число ходов	n, шт.	Np	F, м^2	Sтр.,м^2	Sмежтр.,м^2
L=4 м
					3.5	0.004	0.005

3.4. Расчёт барометрического конденсатора

3.4.1 Расход охлаждающей воды.

Расход охлаждающей воды G_в определим из теплового баланса конденсатора:

(42)

где i_б.к. - энтальпия паров в барометрическом конденсаторе, Дж/кг;

t_н – начальная температура охлаждающей воды, °С;

t_к – конечная температура смеси охлаждающей воды и конденсата, °С;

Разность температур между паром и жидкостью на выходе из конденсатора должна быть 3-5 градусов. Поэтому температуру воды t_к на выходе из конденсатора примем на 4 градуса ниже температуры конденсации паров t₀:

t_k=t₀–4

t_k=85–4=81 °С

Энтальпия паров в барометрическом конденсаторе i_б.к, при температуре t₀ / 2, табл LVI /:

i_б.к,=2653 10³ Дж/кг;

Среднюю температуру воды найдём по формуле (38):

t_ср.в.=(81+10)/2=45.5 °С

Удельная теплоёмкость воды с_в при температуре t_ср.в. (Приложение 2, п.3):

с_в=4185 Дж.(кг К)

кг/с

3.4.2. Диаметр барометрического конденсатора

Диаметр барометрического конденсатора определим из уравнения расхода:

(43)

где r - плотность паров, кг/м³;

u - скорость паров, м/с.

При остаточном давлении в конденсаторе порядка 10⁴ Па скорость паров u=15-25 м/с

Возьмём:

u=20 м/с

Плотность паров r при температуре t₀, табл. LVI /

r=0.3533 кг/м³

м

3.4.3. Выбор барометрического конденсатора.

Выбираем конденсатор с диаметром, равным расчётному, или ближайшему большему / 3, приложение 4.6 /.

Барометрический конденсатор: внутренний диаметр d_б.к.=600 мм

Условный проход штуцера для барометрической трубы d_б.т=150 мм

3.4.3. Высота барометрической трубы

Скорость воды в барометрической трубе равна:

(44)

Плотность воды r_в при температуре t_к (Приложение 2, п.1):

r_в=971.23 кг/м³

Высота барометрической трубы / 3, формула 1 /:

(45)

где В – вакуум в барометрическом конденсаторе, Па;

Sx - сумма коэффициентов местных сопротивлений;

l _тр - коэффициент трения в барометрической трубе;

0,5 – запас высоты на возможное изменение барометрического давления, м.

Вакуум в барометрическом конденсаторе В, Па;

В=Р_атм-Р₀ (46)

В=(1-0.572) 9.81 10⁴=4.199 10⁴ Па

Сумма коэффициентов местных сопротивлений Sx:

(47)

где x_вх, x_вых - коэффициенты местных сопротивлений на входе в трубу и на выходе из нее.

Коэффициент трения l_тр зависит от режима течения жидкости, определим режим течения воды в барометрической трубе:

(48)

Коэффициент динамической вязкости воды m_в при t_k (Приложение 2, п.2)

m_в=3.481 10^-4 Па с

При таком значении Re, коэффициент трения l_тр равен / 2, рис 1.5 /.

l=0,0245

По формуле (47):

Окончательно имеем:

3.5. Расчет производительности вакуум-насоса.

Производительность вакуум-насоса G_возд, кг/с определяется количеством газа (воздуха), который необходимо удалять из барометрического конденсатора:

G_возд = 0,000025(W+ G_в) + 0,01W (49)

где 0,000025 – количество газа, выделяющегося из 1 кг воды;

0,01 количество газа, подсасываемого в конденсатор через неплотности на 1 кг паров.

G_возд = 0,000025(1.512+ 12.703) + 0,01 1.512=0.0155 кг/с

Объемная производительность вакуум-насоса равна:

(50)

где R – универсальная газовая постоянная, Дж/кмоль×К;

М_возд - молекулярная масса воздуха, кг/моль;

Т_возд – температура воздуха, К;

Р_возд – парциальное давление сухого насыщенного пара (Па) в барометрическом конденсаторе при t_возд.

Температуру воздуха рассчитывают по формуле / 3, с. 179 /:

t_возд = t_н + 4 +0,1(t_к – t_н) (51)

t_возд= 10 + 4 + 0,1(82 – 10) = 21 °С

Давление воздуха Р_возд. равно:

Р_возд=Р₀ - Р_п (52)

где Р_п – давление сухого насыщенного пара при температуре t_возд / 2, табл LVI /

Р_п=0.0258 ат

Р_возд=(0.572-0.0258) 9.81 10⁴=5.36 10⁴ Па

Объемная производительность вакуум-насоса равна:

м³/с = 1.456 м³/мин

Зная объемную производительность V_возд и остаточное давление Р₀ по таблице / 3, приложение 4.7 / выбираем вакуум-насос:

Таблица 4 характеристика вакуум-насоса типа ВВН

.

Дата добавления: 2015-09-05