Расчет поверхности теплопередачи холодильника дистиллята

Используем для охлаждения дистиллята кожухотрубчатый теплообменник с неподвижными трубными решетками. Охлаждение осуществляется водой. Вода подается в трубное пространство, а дистиллят в межтрубное пространство. Схема движения теплоносителей в теплообменнике принимается противоточная, так как только эта схема обеспечит заданные температуры теплоносителей. Для повышения эффективности теплоотдачи в межтрубном пространстве теплообменник оснащен поперечными перегородками, при этом в межтрубном пространстве организовывается многократно-перекрестное обтекание труб теплоносителем (рис. 3.1).

Рис. 3.1 – Схема движения потоков в кожухотрубчатом теплообменнике с поперечными перегородками.

Вначале выполняем предварительный расчет теплообменника.

Тепловая нагрузка определена ранее по формуле и равна 158000 Вт.

Расход воды на охлаждение дистиллята (формула ) составил 1,89 кг/с.

Начальная температура воды °С, конечная °С, средняя температура воды °С.

Расход дистиллята 1,42 кг/с (из материального баланса, формула ).

Начальная температура дистиллята °С, конечная °С, средняя температура дистиллята °С.

Принимается также кожухотрубчатый тип теплообменников, причем охлаждающую воду будем подавать в трубное пространство, а охлаждаемый дистиллят в межтрубное.

Температурная схема процесса.

Среднюю разность температур определяем как среднее логарифмическое значение разностей температур на концах теплообменника, поскольку:

°С

Принимаем ориентировочно коэффициент теплопередачи , Вт/(м2∙К) Таблица 3.1 Вт/(м²∙К)

Требуемое ориентировочное значение площади поверхности теплопередачи теплообменника , м²:

м²

Для повышения эффективности теплообмена целесообразно иметь турбулентное течение воды в трубном пространстве,().

Для обеспечения турбулентного течения воды при скорость воды в трубах должна быть больше следующего значения (см. формулу ):

м/с

где свойства воды при определяем при °С, Па∙с; мПа∙с = 0,8∙10 ^-3Па∙с кг/м³ при °С; =0,025-20,002=0,021 – внутренний диаметр труб, м; по ГОСТ 15122-79 трубы 25×2мм.

Рассчитаем число труб , обеспечивающих движение данного расхода воды при формуле :

Условию 14 и м2 не удовлетворяет ни один из стандартных одноходовых теплообменников (см. Таблица П 19). Если выбрать одноходовый теплообменник соответствующей площади (например площадью 40 м², с диаметром кожуха 600 мм, число труб 257 штук), то, очевидно, скорости теплоносителей в трубном и межтрубном пространстве окажутся чрезвычайно малы, что приведет к снижению коэффициента теплопередачи (до значений порядка 100-150 Вт/(м²К)) и резкому увеличению расчетной площади теплообмена.

Другим крайним решением является создание «элементного» теплообменника состоящего из нескольких теплообменников с 14. Например можно выбрать теплообменники с диаметром кожуха 159 мм, и числом труб 13 штук (см. Таблица П 19). Эти теплообменники необходимо подключить так, чтобы теплоносители последовательно проходили через них в противоточном режиме (рис. 3.2). Однако площадь теплообмена у стандартных теплообменников этого типа не больше 3м² (см. Таблица П 19), поэтому для охлаждения дистиллята нам понадобится около 12-ти теплообменников. Таким образом, недостатком данного решения будет сложность установки в целом и большая удельная металлоемкость теплообменников-элементов малого типоразмера.

Рис. 3.2 Схема включения нескольких одноходовых кожухотрубчатых теплообменников.

 

Опыт проектирования теплообменников показывает целесообразность применения «элементных» теплообменных установок с числом элементов не более 3-4 шт [4, стр.213]. В этом случае они обладают компромиссными свойствами – достаточно высокой интенсивностью теплопередачи и не слишком высокой удельной металлоемкостью. Дополнительным эксплуатационным удобством является возможность резервирования «элемента» на случай промывки или ремонта.

В нашем случае целесообразно выбрать теплообменники с диаметром кожуха 325 мм (число трубок 62 шт., наружный диаметр трубок мм; толщина стенок трубки 2мм, проходная площадь сечения трубного пространства м²; площадь живого сечения потока в межтрубном пространстве – площадь живого сечения в области выреза перегородки –1,310^{-2 м2}, по Таблица П 19). Площадь этих теплообменников от 7,5 до 19,5 м², при длине трубок от 1,5 до 6 м. Таким образом, ожидается получить 3-4 теплообменника в «элементной» установке.

Поперечные перегородки размещены в теплообменнике так, чтобы живое сечение продольного потока в сегментном вырезе перегородки было равно живому сечению потока между перегородками. Поэтому в формулу для определения скорости теплоносителя в межтрубном пространстве войдет .

Далее выполняем уточненный расчет площади поверхности теплообменника выбранного типоразмера.

Определяем скорость воды в трубном пространстве , м/с:

м/с

Число Рейнольдса для воды:

где – коэффициент динамической вязкости воды при , Па∙с.

Находим критерий Прандтля, , для воды при :

где свойства воды определяются при .

Определим коэффициент теплоотдачи в трубном пространстве.

При применяется критериальное уравнение:

.

Для при вертикальном расположении труб и несовпадении свободной и вынужденной конвекции (например, движение жидкости сверху вниз при нагревании, как в данном случае):

где при нагревании жидкости (в нашем случае вода нагревается), – при охлаждении.

Проведем расчеты по критериальному уравнению . При этом нам необходимо задаться значением . В первом приближении можно принять , с последующим уточнением при необходимости.

Определим коэффициент теплоотдачи в межтрубном пространстве.

Скорость движения теплоносителя в межтрубном пространстве , м/с:

где – плотность дистиллята при , кг/м³ .

м/с

Число Рейнольдса для потока дистиллята, обтекающего пучок труб в поперечном направлении:

где – коэффициент динамической вязкости дистиллята при , Па∙с, – наружный диаметр труб.

Число Прандтля для дистиллята при :

Свойства дистиллята определяются при . Поскольку дистиллят состоит преимущественно из низкокипящего компонента, то его свойства можно определить как для вещества – низкокипящего компонента, в данном случае – для бензола (Таблица П 8;Таблица П 12;Таблица П 14).

 

Определяем коэффициент теплоотдачи в межтрубном пространстве.

Для случая обтекания пучка труб потока теплоносителя при применяется уравнение:

где – коэффициент, учитывающий угол между направлением движения потока и трубами (для угла 90^о =1, в межтрубном пространстве теплообменника с перегородками теплоноситель не всегда движется перпендикулярно трубам, поэтому обычно в этом случае принимают =0,6).

Определяем сумму термических сопротивлений стенки трубы и загрязнений на ней, , м2∙К/Вт:

где , – термические сопротивления загрязнений внутренней и наружной поверхностей стенок труб, м²∙К/Вт. Их ориентировочные значения выбирают по Таблица П 20;

– теплопроводность металла трубы, Вт/(м∙К) [1].

м²∙К/Вт

Рассчитываем коэффициент теплопередачи , Вт/(м2∙К):

Вт/(м²∙К)

Проверяем принятое ранее значение .

Рассчитываем плотность теплового потока , Вт/м2:

Вт/м²

Определяем разность между температурой поверхности стенки трубы и средней температурой воды :

°С

Тогда средняя температура внутренней поверхности стенки трубы , °С:

°С

Определяем – коэффициент динамической вязкости воды, Па∙с при 35,7°С (Таблица П 9):Па∙с.

Таким образом расчетное значение отношения составит:

 

Определяем относительное расхождение между принятым ранее отношением =1,02 и рассчитанным .

– допустимое относительное расхождение (может быть принято равным 0,05).

Таким образом имеющееся относительное расхождение составляет 1% и может быть допущено, перерасчет коэффициента теплоотдачи со стороны воды производить не требуется.

Вычисляем требуемую расчетную площадь поверхности теплообмена , м2:

м²

Данную поверхность можно получить (с запасом), если использовать «элементную» теплообменную установку, состоящую из 3-х теплообменников принятого типоразмера (диаметром кожуха 325 мм) площадью 14,5 м².

Суммарная площадь теплообменной установки:

Запас площади поверхности составляет %.