Пример теплового расчета теплообменника

Подобрать теплообменный аппарат для подогрева нестабильного бензина с = 100 ºС до = 140 ºС с расходом G₁= 20 кг/с. Для нагрева нестабильного бензина используется стабильный бензин с установки с температурой = 220 ºС, подаваемый насосом в количестве G₂ = 12 кг/с.

5.4.1 Расчет тепловой мощности и средней разности температур.

Предварительно принимаем, что нагревающийся продукт направляем в трубное пространство – индекс 1, а охлаждающийся – в межтрубное пространство - индекс 2.

Средняя температура потока в трубном пространстве составит:

.

Теплофизические свойства нестабильного бензина при следующие:

С_р1=2500 Дж/(кг∙К);

ρ₁=670 кг/м³;

ν₁=0,3∙10^-6 м²/с;

μ=2,01∙10^-4 Па∙с;

λ₁=0,09 Вт/(м∙К).

Тепловая мощность аппарата с учетом теплопотерь (5 %) составит:

,

.

Так как температура на выходе стабильного бензина неизвестна и ее следует определить, то теплофизические свойства примем по известной температуре, то есть при

С_р2=2915 Дж/(кг∙К)

ρ₂=609 кг/м³

ν₂=0,21∙10^-6 м²/с

μ₂=1,28∙10^-4 Па∙с

λ₂=0,075 Вт/(м∙К)

Уравнение теплового баланса записывается так:

Q=Q₁=Q_2,

.

Отсюда следует:

,

.

Наибольшая разность температур составит:

.

Наименьшая разность

.

Так как в многоходовых теплообменниках имеет место смешанный ток теплоносителей, то поправочный коэффициент

,

.

Составит .

Средняя разница температур составит

,

.

5.4.2 Поверочный расчет и выбор теплообменника

Так как теплообмен происходит без изменения агрегатного состояния потоков, то предварительно принимаем коэффициент теплопередачи К = 220 Вт/ м²∙К.

Тогда предварительная поверхность теплообмена составит:

,

.

Так как , то следует принять теплообменник с компенсатором на кожухе с количеством волн компенсатора равным 4.

По каталогу [15] принимаем следующий теплообменник типа ТК:

– поверхность теплообмена F_кат = 165 м²;

– D_н= 800 мм;

– l_тр= 4000 мм;

– d_т∙S_т=20*2 мм;

– число ходов z=4;

– расположение труб - по вершинам треугольников;

– площадь проходного сечения на 1 ход в трубном пространстве f_тр= 0,33 м²;

– площадь проходного сечения в межтрубном пространстве между перегородками f_мтр= 0,077 м².

5.4.3 Уточненный расчет теплообменника.

Для проверки правильности выбора теплообменника необходимо определить фактический коэффициент теплопередачи, на основании которого рассчитывается необходимая поверхность теплообмена:

- теплоотдача в трубном пространстве

а) средняя скорость потока в трубках составит

.;

б) критерий Рейнольдса:

,

.

Так как, , то режим течения турбулентный;

в) критерий Прандля

,

;

г) критерий Нуссельта для турбулентного режима

.

Так как в трубном пространстве происходит нагрев, то

.

Подставляем значение, получим:

;

д) коэффициент теплопередачи от труб к нагреваемому потоку составит:

,

;

– теплоотдача в межтрубном пространстве:

а) скорость потока в межтрубном пространстве составит

,

;

б) критерий Рейнольдса:

,

.

Так как , то режим течения в межтрубном пространстве турбулентный;

в) критерий Прандля:

,

;

г) критерий Нуссельта для турбулентного движения потока в межтрубном пространстве при размещении труб по вершинам треугольников:

.

Так как в трубном пространстве происходит охлаждение стабильного бензина, то:

.

В кожухотрубчатых теплообменниках с поперечными перегородками коэффициент =0,6.

Тогда:

;

д) коэффициент теплоотдачи от стабильного бензина в межтрубном пространстве к трубам составит:

;

;

– уточненный коэффициент теплопередачи составит:

,

где r_загр1, r_загр2 – термическое сопротивление возможных загрязнений по внутренней и наружной поверхностях трубок, можно принять равными 0,2∙10^-3 ( м²∙К)/Вт для углеводородов.

Тогда:

;

– требуемая поверхность теплообмена составит:

,

;

– имеющийся запас поверхности теплообмена составляет:

,

.

Таким образом, запас поверхности теплообмена составляет 41 % и выбранный теплообменный аппарат удовлетворяет заданным условиям. Он имеет следующую маркировку:

800ТК-1,6-М1/20Г-4-Т-4-У-И по ТУ 3612-023-00220302-00.