Расчёт теплообменника-подогревателя

 

Необходимо рассчитать и подобрать нормализованный вариант конструкции кожухотрубчатого испарителя с получением G₂ = 0, 83 кг/с паров водного раствора Na₂SO_4w, кипящего при небольшом избыточном давлении и температуре t₂ = 125, 26 °С. Na₂SO₄ имеет следующие физико-химические характеристики:

ρ ₂ = 1071 кг/м³;

ρ _п = 1, 243 кг/м³;

μ ₂ = 0, 26 ∙ 10^-3 Па ∙ с;

λ ₂ = 0, 342 Вт/(м ∙ К);

σ ₂ = 0, 0766 Н/м;

с₂ = 3855 Дж/(кг ∙ К);

r₂ = 2198 ∙ 10³ Дж/кг

В качестве теплоносителя будет использован насыщенный водяной пар давлением 0, 4 МПа. Удельная теплота конденсации r₁ = 2135 ∙ 10³ Дж/кг, t₁ = 143, 5 °С. Физико-химические характеристики конденсата при температуре конденсации: ρ ₁ = 923 кг/м³; μ ₁ = 0, 192 ∙ 10^-3 Па ∙ с; λ ₁ = 0, 685 Вт/(м ∙ К).

Для определения коэффициента теплоотдачи от пара, конденсирующегося на наружной поверхности труб высотой Н, используем формулу:

 

 (37)

 

где для вертикальных поверхностей а = 1, 21 м, l = Н м.

 

Коэффициент теплоотдачи к кипящей в трубах жидкости определим по формуле:

 

 

Для определения поверхности теплопередачи и выбора конкретного варианта конструкции теплообменного аппарата необходимо определить коэффициент теплопередачи. Его можно рассчитать с помощью уравнения аддитивности термических сопротивлений на пути теплового потока:

 

 

Подставляя сюда выражения для α ₁ и α ₂ можно получить одно уравнение относительно неизвестного удельного теплового потока:

 

 (38)

 

Решив это уравнение относительно q каким-либо численным или графическим методом, можно определить требуемую поверхность .

1) Определение тепловой нагрузки аппарата:

 

Q = G ∙ r (39)

 

Уравнение справедливо при конденсации насыщенных паров без охлаждения конденсата и при кипении.

Q = 0, 83 2198 10³ = 1824340 Вт

2) Определение расхода греющего пара из уравнения теплового баланса:

 кг/с

3) Средняя разность температур:

Δ t_ср = 143, 5 – 125, 26 = 18, 24 °С

4) В соответствии с Приложением 2 примем ориентировочное значение коэффициента теплопередачи К_ор = 800 Вт/(м² ∙ К). Тогда ориентировочное значение требуемой поверхности составит:

 м²

В соответствии с Приложением 3, поверхность, близкую к ориентировочной могут иметь теплообменники с высотой труб Н = 4, 0 м и диаметром кожуха D = 800 мм (F = 127 м²) или с высотой труб Н = 6, 0 м и диаметром кожуха D = 600 мм (F = 126 м²).

5) Уточнённый расчёт поверхности теплопередачи.

Примем в качестве первого варианта теплообменник с высотой труб Н = 4, 0 м, диаметром кожуха D = 1000 мм и поверхностью теплопередачи F = 127 м². Выполним его уточнённый расчёт, решив уравнение (34).

В качестве первого приближения примем ориентировочное значение удельной тепловой нагрузки:

 Вт/м²

Для определения f(q₁) необходимо рассчитать коэффициенты А и В:

Толщина труб 2, 0 мм, материал – нержавеющая сталь; λ _ст = 17, 5 Вт/(м ∙ К). Сумма термических сопротивлений стенки и загрязнений (термическим сопротивлением со стороны греющего пара можно пренебречь) равна:

 

 м² ∙ К/Вт

 

Тогда

Примем второе значение q₂ = 20000 Вт/м² получим:

Третье, уточнённое значение q₃, определим в точке пересечения с осью абсцисс хорды, проведённой из точки 1 в точку 2 на графике зависимости f(q) от q:

 

 (40)

 

Получим

 Вт/м²

Такую точность определения корня уравнения (34) можно считать достаточной, и q = 20235, 4 Вт/м² можно считать истинной удельной тепловой нагрузкой. Тогда требуемая поверхность составит:

 м²

В выбранном теплообменнике запас поверхности составит:

 %

Масса аппарата: М₁ = 3950 кг (см. Приложение 4).

Вариант 2. рассчитаем также теплообменник с высотой труб 6, 0 м, диаметром кожуха 600 мм и номинальной поверхностью 126 м².

Для этого уточним значение коэффициента В:

Пусть  Вт/м².

Тогда

Пусть q₂ = 25000 Вт/м².

Тогда

Получим

 Вт/м²

Требуемая поверхность:  м²

В выбранном теплообменнике запас поверхности составляет:

 %

Масса аппарата: М₂ = 3130 кг (см. Приложение 4).

У последнего аппарата масса значительно меньше, поэтому выбираем его.

Критическую удельную тепловую нагрузку, при которой пузырьковое кипение переходит в плёночное, а коэффициент теплоотдачи принимает максимальное значение, можно оценить по формуле, справедливой для кипения в большом объёме:

 (41)

 

 кВт/м²

Следовательно, в рассчитанных аппаратах режим кипения будет пузырьковым. Коэффициенты теплоотдачи и теплопередачи в выбранном варианте соответственно равны:

 Вт/(м² ∙ К)

 Вт/(м² ∙ К)

 Вт/(м² ∙ К)

Таким образом, был выбран теплообменник-испаритель со следующими характеристиками [1]:

 

Таблица 18 Характеристики теплообменника-испарителя

⇐ Предыдущая1234567Следующая ⇒

Поделиться: