2020-05-25
1473
Цель расчета - определение средней разности температур △tcp и средних температур теплоносителей tcp1 и tcp2. Для этого надо установить характер изменения температур теплоносителей и выбрать схему их движения с учетом обеспечения наибольшей средней разности температур, наилучшего использования теплоты рабочих сред и создания наиболее благоприятных условий теплопередачи. Для аппаратов с поверхностью теплообмена, образованной пучками труб, необходимо знать, какой поток пропускать по трубам, а какой - в межтрубном пространстве.
В общем случае в межтрубное пространство следует направлять более вязкий теплоноситель, считая вязкость при фактической рабочей температуре в аппарате. Если среда может вызвать интенсивную коррозию поверхности теплообмена, ее надо пропускать через трубное пространство, несмотря на повышенную вязкость. Поток, имеющий повышенное рабочее давление, целесообразно также направлять через трубное пространство из соображений прочности и экономичности конструкции, поскольку в этом случае удовлетворяется общее правило конструирования: нагружать более высоким давлением детали меньшего размера. Среды, дающие загрязнение поверхности нагрева (осаждение взвешенных частиц из охлаждающей воды, коррозионные отложения, полимерные отложения из углеводородных теплоносителей и т.п.), следует пропускать в трубное пространство, которое легче подвергается периодической чистке.
|
|
|
Для определения среднего температурного напора △tcp в случаях прямотока и противотока рекомендуется следующая схема расчета:
Tн ==> Tк,Если 
(1.8)
, Если 
(1.9)
При расчете средней разности для сложных схем движения теплоносителей (смешанная схема, перекрестный и многократный перекрестный ток): 1) определяют средний температурный напор по формулам (1.8) или (1.9) для противотока; 2) вычисляют вспомогательные величины Р и R:,
(1.10)
(1.11)
Из формулы (1.10) и (1.11) следует, что всегда Р<1. Величина R может быть больше и меньше единицы. По значениям Р и R из соответствующего вспомогательного графика [19, 33] берется поправка ɛ△t= f(P,R). Температурный напор
(1.12)
Для теплоносителя, температура которого изменяется в теплообменнике на меньшее число градусов, среднюю температуру определяют как среднее арифметическое между начальной и конечной:
Для второго теплоносителя средняя температура
|
|
|
(1.14)
Если в аппарате несколько зон (охлаждение пара, конденсация, охлаждение конденсата), to температурный режим рассчитывают для каждой зоны. При ориентировочном расчете с целью выбора конструкции аппарата обычно ошибочно принимают противоточную схему движения теплоносителей, обеспечивающую максимальный температурный напор и соответствующую только одноходовому аппарату. Если же выбран многоходовый аппарат, то необходимо пересчитать температурный режим для схемы смешанного тока.
1.4. Выбор теплофизических характеристик теплоносителей
Теплофизические свойства теплоносителей определяют при их средних температурах* из справочных и учебных пособий и заносят в табл. 1.1.
Таблица 1.1
Теплофизические свойства теплоносителей
| Пространство и процесс | Физические величины | Обозначения** | Числовые значения | Ссылка на источники |
| Трубное пространство, охлаждение (нагревание) теплоносителя | Средняя температура теплоносителя, ˚С Плотность, кг/м3 Удельная теплоемкость, Дж/(кг·К) Теплопроводность, Вт/(м·К) Кинематическая вязкость, м2/с Коэффициент объемного расширения, К-1 Число Прандтля | tср1 ρ1 Cср1 λ1 ν1 β1 Pr1 | ||
| Межтрубное пространство, нагревание (охлаждение) теплоносителя | Средняя температура теплоносителя, ˚С Плотность, кг/м3 Удельная теплоемкость, Дж/(кг·К) Теплопроводность, Вт/(м·К) Кинематическая вязкость, м2/с Коэффициент объемного расширения, К-1 Число Прандтля | tср2 ρ2 Cср2 λ2 ν2 β2 Pr2 |
Для определения теплофизических характеристик теплоносителей рекомендуется пользоваться справочной литературой
| Физические величины | Номера страниц в пособиях | |||||
| [33] | [34] | [38] | [9] | [40] | [41] | |
| Теплоемкость: Газ и пар Жидкость Раствор Твердые тела | 504 503,535 521 503-516 | 822-825 808,809 808,809 - | - Ном. 7 Ном. 7 - | - - - - | 764-875 755-763 - 741-746 751-755 | - - 637-641 - - |
| Теплопроводность: Газ и пар Жидкость Раствор Твердые тела | 506,533 534 505,520 504 | 822-824 810,811 810,811 - | Ном. 8 Ном.10 Ном. 9 Ном. 9 - | 353-359 (376-383)* 403-412 (444-447) - | 927-930 924-927 - 918-923 | - - 642-656 - |
| Вязкость: Газ и пар Жидкость Раствор | 530 491,529 492,520 | 822-824 806,807 806,807 | Ном. 2 Ном. 1 Ном. 1 | 232-236 281-291 (313-314) 290,291 (318-326) | 1001-1004 985-1000 - | - - 715-725 |
| Плотность: Пар и газ Жидкость Раствор Твердые тела | 490,519 488,489,516,522,521 521 487 | - 804,805 804,805 | - - - - | - - - - | 549-558 584,565 876-896 549-558 - - | - - 496-579 - |
| Давление насыщенного пара | 511,516 540,543 523 | 820 | Ном.21 Ном.23 | - | 682-729 | 333-352 |
| Температура кипения | 490,516 517,539 | 820 | Ном.21 Ном.23 | - | 594-681 | 357-361 |
| Тепло конденсации (испарения) | 490,516 541 | 815 | - | - | 774-837 854-896 | - |
| Расширение объемное | 507 | 814,815 | - | - | 568-571 | - |
*В некоторых случаях определяющей является не средняя температура теплоносителя, а, например, температура пленки конденсата, температура стенки.
**Индекс 1 придается горячему теплоносителю, 2 - холодному.
[35, 43, 45], дымовых газов, органических теплоносителей, минеральных масел, хладонов - в [4, 15].
1.5. Ориентировочный расчет площади поверхности аппарата. Выбор конструкции аппарата и материалов для его изготовления.
Для ориентировочного расчета площади поверхности аппарата коэффициент теплопередачи рекомендуется принимать по табл. 1.3.
|
|
|
Таблица 1.3
Ориентировочные значения коэффициентов теплопередачи К, Вт/(м2∙К) [6, 34]
|
Вид теплообмена |
Движение | |
| вынужденное | свободное | |
| 1 | 2 | 3 |
| От газа к газу От газа к жидкости От воды к воде От жидкости к жидкости (углеводороды, масла) От конденсирующего водяного пара к газу От конденсирующего пара к воде От конденсирующего водяного пара к органическим жидкостям (маслам) От конденсирующего водяного пара органических веществ к воде От конденсирующего водяного пара к кипящему маслу | 10 – 40 10 – 60 800 – 1200 120 – 270 10 – 60 800 – 2500 120 – 340 300 – 800 - | 4 – 12 6 – 20 10 – 340 30 – 60 6 – 12 300 – 120 60 – 170 230 – 460 500 – 600 |
Ориентировочную площадь поверхности аппарата расчитывают по формуле (1.1), произведение числа труб в аппарате на их диаметр nd (в м) - из выражений Re = ωdp/μ; ω = G/0,785d2nρ,
nd = G/0,785Re∙μ, (1.15)
где n - количество труб в аппарате, шт.; d - внутренний диаметр труб в аппарате, м; G - массовый расход теплоносителя кг/с; р - динамическая вязкссть, Па-с; Re - число Рейнольдса.
Для получения высокой интенсивности теплообмена необходим турбулентный режим (Re>104). Задаваясь числом Рейнольдса, рассчитывают nd и путем анализа этой величины выбирают конструкцию аппарата.
Пример 1. Пусть в результате расчета по (1.15) nd = 0,112 м. Так как нормализованные кожухотрубчатые теплообменники имеют трубы Ø 25x2 и Ø 38x2 мм, необходимое для них число труб n1 = 0,112: 0,021 = 5 шт. или П2 = 0,112: 0,034 = 3 шт., что в обоих случаях значительно меньше минимальных значений (nmin = 13). Следовательно, процесс может быть осуществлен при турбулентном режиме движения и заданных температурных условиях только в аппарате другой конструкции, например, типа «труба в трубе».
Пример 2. Пусть в результате расчета по (1.15) nd = 0,364 м. Принимаем трубы теплообменника диаметром 25x2 мм, тогда п = 0,364: 0,021 = 17 шт. По ГОСТ 15122-79 ближайшие числа труб для одноходового теплообменника n = 13; двухходового — n = 56:2 = 28; шестиходового — n = 194:6 = 32. Одно из них выбираем по ориентировочному расчету площади поверхности аппарата. Пусть F = 40 м2. Одно и двухходовых теплообменников с таким значением нет (ГОСТ 15122-79), значит, проектируемый аппарат будет шестиходовым. После такого предварительного выбора конструкции аппарата рассчитываем скорости движения теплоносителей о) (в м/с) в аппарате выбранной конструкции из уравнения расхода ω=V/S, где V – объемный расход теплоносителя, м5/с; S – площадь поперечного сечения тракта, м2. Эти скорости теплоносителей должны находиться»! пределах рекомендуемых (табл. 1.4).
|
|
|
Таблица 1.4
Рекомендуемые скорости теплоносителей в трубопроводах и каналах [4, 34]
| Виды теплоносителей | Условия движения | ω, м/с |
| Жидкости маловязкие (вода, бензин, керосин и т.п) Жидкости вязкие (легкие и тяжелые масла, растворы солей, смеси мороженого, молочные продукты и полуфабрикаты) Жидкости маловязкие и жидкие Газ при большом напоре Газы при естественной тяге Пары насыщенны (углеводородные и другие) Пар водяной: сухой перегретый насыщенный | Нагнетательные линии Всасывающие линии Нагнетательные линии Всасывающие линии Самотек Нагнетательные линии компрессоров Нагнетательные линии вентиляторов, газоходы Газоходы Давление (МПа) 0,005 – 0,02 0,02 – 0,05 0,05 – 0,10 0,10 - - | 1,0 – 3,0 0,8 – 1,2 0,5 – 1,0 0,2 – 0,8 0,1 – 0,5 15,0 – 30,0 5,0 – 15,0 2,0 – 4,0 60,0 – 75,0 40,0 – 60,0 20,0 – 40,0 10,0 – 25,0 30,0 – 60,0 20,0 – 30,0 |
В большинстве случаев удовлетворительные значения коэффициентов теплоотдачи можно получить при скоростях теплоносителей, lля жидкостей ω=1,5 м/с, для газов ω = 8-30 м/с [26]. Их повышение приводит к уменьшению рабочей поверхности теплообменника (из-за увеличения коэффициентов теплоотдачи и коэффициента теплопередачи) и росту гидравлических потерь. Если теплоносители имеют резко отличающиеся коэффициенты теплоотдачи, то скорость теплоносителя с большим коэффициентом теплоотдачи слабо влияет на коэффициент теплопередачи. Ее значение можно выбрать из условия получения приемлемой площади проходного сечения тракта или мощности устройства на его перемещение. Поскольку массовые расходы потоков определяются тепловым балансом аппарата, то изменение линейной скорости теплоносителей в аппарате может повлиять на соответствующие сечения и конструкцию аппарата.
Пример 3. Выбрать конструкцию аппарата для подогрева сахарного раствора от 90 до 102 °С, если аппарат обогревается насыщенным водяным паром давлением 0,13 МПа, а расход сахарного раствора G = 28,8 кг/с. Массовая доля сахара в растворе 13 %.
Рассчитываем: 1) тепловую нагрузку аппарата по (1.4): Q = 1372,1 кВт; 2) температурный режим аппарата по (1.9) и (1.13-1.14): △tcp = 9,4 °С; tcp. р-ра = 97,2 °С.
Определяем теплофизические характеристики сахарного раствора при t cp. р-ра = 97,2 °С [45]: μ=3,22-10-4 Па∙с; р=1005 кг/м3 и т.д.
Руководствуясь примером расчета [33, с.215], принимаем Re = 15000 и рассчитываем nd = G/(0,785 Re∙μ) = 28,8:0,785 х 15000∙3,22∙10-4 = 7,6.
Принимаем трубы теплообменника 0 25x2 мм, тогда требуемое число труб n= 7,6:0,21 ≈ 362 шт.
Для выбора конструкции кожухотрубчатого теплообменника оценим площадь поверхности аппарата по формуле (1.1), принимая ориентировочное значение коэффициента теплопередачи К = 1400 Вт/(м2-К) по табл. 1.3: F = 1372,1-103:(1400∙9,4) = 104,3 м2. По ГОСТ 15122-79 такой площади теплообмена и числу труб соответствует двухходовой аппарат с числом труб 442 (в одном ходе 442:2 = 221 шт.) и F = 104 м2. Проверяем значение скорости движения сахарного раствора в трубах аппарата: со = G/0,785d2np = 28,8:0,785∙0,0212∙221∙1005 = 0,37 м/с.
Сравнивая полученную скорость с рекомендуемыми в табл. 1.4, а также учитывая, что коэффициент теплоотдачи со стороны конденсирующегося водяного пара значительно больше коэффициента теплоотдачи со стороны сахарного раствора [33, табл. 4-5, с. 174], делаем вывод о необходимости увеличения скорости движения сахарного раствора ω в трубах аппарата. Принимаем ω = 1,0 м/с, тогда Re = ωdp/μ = 65620; nd = 28,8:0,785∙65620∙3,22∙10-4 = 1,73; n = 1,73:0,021 ≈ 82 шт. Такому числу труб (n=82 шт.) и площади поверхности (F = 104 м2) по ГОСТ 15122-79 соответствует шестиходовой аппарат с числом труб 384 (водном ходе 384:6 = 64 шт.*) и F = 121 м2 при длине труб 4000 мм.
Проверяем значение скорости движения сахарного раствора ω = 28,8:(0,785∙0,0212∙64∙1005)=1,28 м/с. Значение скорости находится в пределах рекомендуемых, поэтому выбор конструкции аппарата закончен**.
Температурный режим был рассчитан для противо- точной схемы движения теплоносителей, соответствующей одноходовом}- аппарат}'. Поскольку выбрана конструкция шестиходового аппарата, необходимо уточнить температурный режим для схемы смешанного тока и теплофизические характеристики сахарного раствора.
Конструкционные материалы для теплообменных аппаратов должны удовлетворять требованиям к механическим свойствам, а также некоторым специфическим, например, отличаться теплоустойчивостью, коррозионной стойкостью, а также быть дешевыми и недефицитными.
Материал выбирают по рабочим условиям в аппарате: температуре, давлению, химическим свойствам и концентрациям теплоносителей, колебаниям нагрузки с учетом сохранения качества обрабатываемой жидкости. Указания по назначению и условиям применения того или иного материала приведены в [6, 22, 25], а также в ГОСТ 26271-84, ГОСТ 5520-79, 5632-72 и 19807-91.
*В четырех ходах по 63 трубы, в двух - по 66.
**Если в результате приближенного расчета действительное значение коэффициента теплопередачи будет существенно отличаться от ориентировочного, потребуется еще одно уточнение конструкции аппарата.
