Теплообменник 'труба в трубе' для нагрева 7 т/ч 20% раствора NaOH от 15 до 75С конденсатом с начальной температурой 105 град. С, конечной 55 град. С
Теплообменник труба в трубе для
нагрева 7 т/ч 20% р-ра NaOH
от 15 до 75 °С конденсатом с
начальной температурой 105 ºС, конечной 55 ºС
Введение
Теплообменные аппараты (теплообменники) применяются для осуществления
теплообмена между двумя теплоносителями с целью нагрева или охлаждения одного
из них. В зависимости от этого теплообменные аппараты называют подогревателями
или холодильниками.
По способу передачи тепла различают следующие типы теплообменных
аппаратов:
поверхностные, в которых оба теплоносителя разделены стенкой, причем
тепло передается через поверхность стенки;
регенеративные, в которых процесс передачи тепла от горячего
теплоносителя к холодному разделяется по времени на два периода и происходит
при попеременном нагревании и охлаждении насадки теплообменника;
смесительные, в которых теплообмен происходит при непосредственном
соприкосновении теплоносителей.
В химической промышленности наибольшее распространение получили
поверхностные теплообменники, отличающиеся разнообразием конструкций, основную
группу которых представляют трубчатые теплообменники, такие как: кожухотрубные,
оросительные, погруженные и "труба в трубе".
Теплообменник "труба в трубе" включают несколько расположенных
друг над другом элементов, причем каждый элемент состоит из двух труб: наружной
трубы большего диаметра и концентрически расположенной внутри нее трубы
меньшего диаметра. Внутренне трубы элементов соединены друг с другом
последовательно; так же связаны между собой наружные трубы. Для возможности
очистки внутренне трубы соединяются при помощи съемных калачей.
Благодаря небольшому поперечному сечению в этих теплообменниках легко
достигаются высокие скорости теплоносителей в как в трубах, так и в межтрубном
пространстве. При значительных количествах теплоносителей теплообменник
составляют из нескольких параллельных секций, присоединяемых к общим
коллекторам.
Преимущества теплообменников "труба в трубе":
высокий коэффициент теплопередачи в следствии большой скорости
обоих теплоносителей;
простота изготовления.
Недостатки этих теплообменников:
громоздкость;
высокая стоимость ввиду большого расхода металла на наружные
трубы, не участвующие в теплообмене;
трудность очистки межтрубного пространства.
Теплообменники "труба в трубе" могут использоваться, как для
нагревания, так и для охлаждения.
Нагревание обычно производится или горячей водой или насыщенным водяным
паром, который запускается в межтрубное пространство и конденсируется на
поверхности внутренней трубы.
Использование водяного пара в качестве греющего агента имеет следующие
достоинства:
высокий коэффициент теплоотдачи;
большое количество тепла, выделяемое при конденсации пара;
- равномерность обогрева, так как конденсация пара происходит при
постоянной температуре;
легкое регулирование обогрева.
При охлаждении в теплообменниках "труба в трубе" в качестве
хладоагента может использоваться речная или артезианская вода, а в случае,
когда требуется получить температуру ниже 5-20°С применяют холодильные рассолы
(водные растворы СаС12, NaCl,
и др.).
1.
Технологическая схема
Рис.
1 Теплообменник «труба в трубе». Технологическая схема
Керосин,
из расходной емкости РЕ, с помощью центробежного насоса Н подается в трубное
пространство элемента Э теплообменника «труба в трубе». В межтрубное
пространство теплообменника подается греющий пар, который конденсируется на
наружной поверхности внутренних труб и в виде пленки конденсата стекает вниз и
сбрасывается в линию конденсата. Раствор подогретый за счет теплоты конденсации
греющего пара самотеком поступает в приемную емкость.
2. Выбор
конструкционного материала
Так как водный раствор NaОН
является коррозионно-активным веществом, то в качестве конструкционного
материала для основных деталей выбираем нержавеющую сталь Х18Н10Т ГОСТ 5632-72,
которая является стойкой в сильно агрессивных средах до температуры 600 °С.
теплообменник аппарат температура гидравлический
3.
Материальный и тепловой расчет
3.1 Температурный
режим аппарата
Принимаем противоточную схему движения теплоносителей.
Пар поступает в межтрубное пространство, а раствор двигается по
внутренней трубе
Рис. 2 Схема движения теплоносителей
.2 Средняя
разность температур
Δtм = t1н - t2к = 105 - 75 = 30
ºС
Δtб = t1к - t2н = 55 - 15 = 40
ºС
Так как отношение Δtб/Δtм = 40/30 = 1,3 < 2, то
Δtср = (Δtб + Δtм)/2= (40 + 30)/2 = 35 ºС
Средняя температура конденсата:
t1ср =
(t1н + t1к)/2 = (105+55)/2 = 80 ºС
Средняя температура раствора:
t2ср =
t1ср - Dtcр = 80 - 35 = 45 °С.
3.3
Тепловая нагрузка аппарата:
Q =
1,05G2c2(t2н - t2к),
где с2= 3,61 кДж/кг∙К - теплоемкость раствора [1 c.248]
G2-
массовый расход раствора.
1,05 - коэффициент, учитывающий потери в окружающую среду.
G2 =
7000/3600 = 1,94 кг/с,
Q =
1,05×1,94∙3,61(75 - 15) = 441,2 кВт.
.4 Расход
конденсата:
G1= Q/с1(t1н - t1к),
где с1 = 4,19 кДж/кг·К - теплоемкость воды при 80 ºС [1c.537].
G1 =
441,2/4,19(105-55) = 2,11 кг/с.
3.5 Выбор
основных конструктивных размеров аппарата
Принимаем, что аппарат изготовленный из труб 48´4 (внутренняя труба) и 76´4 (наружная труба)[2c. 61].
Рис.
3 Теплообменный элемент
Оптимальные
условия теплообмена возможны при турбулентном режиме движения (Re
> 10000). Поэтому скорость раствора в трубах должна быть больше w’2:
w’2 = Re2m2 / (dвнr2) = 10000×2,29×10-3/(0,040×1205) = 0,48 м/с
где m2 = 2,29×10-3 Па×с - вязкость раствора [1 c.516],
r2 = 1205 кг/м3 - плотность раствора [1c.512]
d2 =
0,040 - внутренний диаметр трубы.
Число параллельно работающих труб 48´4:
n` = G2/0,785dвн2w`2r2 = 1,94/0,785×0,0402×0,48×1205= 2,67
Для обеспечения устойчивого турбулентного режима движения воды принимаем n` = 2, тогда фактическая скорость
раствора будет равна:
w2 = G2/0,785dвн2n`2r2 = 1,94/0,785×0,0402×2×1205= 0,64 м/с.
Критерий Рейнольдса для раствора:
Re2 = w2d2r2/m2 =
0,64×0,040×1205/2,29×10-3 = 13490,
режим движения - турбулентный
3.6 Коэффициент
теплоотдачи от стенки к раствору
Критерий Нуссельта:
Nu2 =
0,023×Re20,8×Pr20,4×(Pr2/Pr2ст)0,25
Критерий Прандтля
Pr2 =
сm/l = 3,61×2,29/0,677 = 12,2
Примем в первом приближении (Pr2/Pr2ст)0,25 = 1, тогда
Nu2 =
0,023×134900,8×12,20,4 = 126,0
a2 = Nu2l2/dвн = 126,0×0,677/0,040 =2132 Вт/(м2×K)
3.7 Коэффициент теплоотдачи от конденсата к стенке
Скорость воды в межтрубном пространстве
w1 = G1/[r10,785(Dвн2 -
dн2)n] =
= 2,11/972×0,785×(0,0682 -
0,0482)×2 = 0,60 м/с,
где r1 = 972 кг/м3 -
плотность воды при 80 °С
[1c. 537],
Dвн =
0,068 м - внутренний диаметр большой трубы,
dн =
0,048 м - наружный диаметр малой трубы.
Критерий Рейнольдса для воды:
Re1 = w1dэr1/m1,
где m1 = 0,355×10-3 - вязкость воды при 80 °С [1c. 537],
dэ -
эквивалентный диаметр межтрубного пространства.
dэ = Dвн-dн = 0,068 - 0,048 = 0,020 м
Re1 =
0,60×0,020×972/0,355×10-3 = 32636
Режим движения - турбулентный.
Критерий Нуссельта:
Nu1 = 0,023×Re10,8×Pr10,4×(Pr1/Pr1ст)0,25
Критерий Прандтля для воды Pr1 =
2,21 [1c. 537]
Примем в первом приближении (Pr1/Pr1ст)0,25 = 1, тогда
Nu1 =
0,023×326360,8×2,210,4 = 129,0
a1 = Nu1l1/dэ = 129,0×0,675/0,020 =4352 Вт/(м2×K)
где l1=0,675 Вт/(м×K) - теплопроводность воды при 80 °С [1c. 537]
3.8 Тепловое сопротивление стенки
где
d = 0,004 м - толщина стенки
lcт = 17,5 Вт/(м×К) -
теплопроводность нерж. стали [1c. 529]
r1=r2=1/5800
м×К/Вт - тепловое сопротивление загрязнений [1c.
531]
= (0,004/17,5)
+ (1/5800) + (1/5800) = 5,73×10-4 м×К/Вт
3.9 Коэффициент
теплопередачи
К
= 1/(1/2132+ 5,73×10-4 + 1/4352) = 786 Вт/(м2×К)
3.10 Температура стенок
Со стороны раствора
tст2 =
t2+ tср/a2=
45,0 + 786×35,0/2132
= 57,9° С,-tttt
Prст2=
9,6 ® a1ут =2132×(12,2/9,6)0,25 =2263 Вт/(м2×К).
Со стороны воды:
tст1 =
t1 - KDtср/a1 = 80,0 - 786×35,0/4352 = 73,7° С,-tttt
a1 = 4352(2,21/2,43)0,25 = 4250 Вт/(м2×К).
3.11 Уточненный расчет коэффициента теплопередачи
K =
1/(1/2263 + 5,73×10-4+1/4250) = 800 Вт/(м2×К)
Проверяем температуру стенки
tст1 =
t1 - KDtср/a1 = 80,0 - 800×35,0/4250 = 73,4° С -tttt
tст2 =
t2 - KDtср/a2 = 45,0+ 800×35,0/2263 = 57,4° С
Полученные значения близки к ранее принятым и дальнейшего уточнения не
требуется
3.12 Поверхность теплообмена
F = Q/( KDtср) =441,2×103/(800×35,0) =15,75 м2
3.13 Выбор
стандартного аппарата
По ГОСТ 8930-78 [2c. 61]
выбираем стандартные неразборные элементы длиной 6,0 м, для которых поверхность
теплообмена равна 0,90 м2, тогда число элементов в одном ряду составит:
N = F/(nF1) =15,75/(2×0,90) = 8,75 принимаем N = 9
4.
Гидравлический расчет
4.1 Коэффициент
трения раствора трубах
Скорость раствора в трубах: w2 = 0,64 м/с
Относительная шероховатость:
e2 = D/dвн = 0,0002/0,040 = 0,0050
где D = 0,0002 м -
шероховатость труб [2c. 14]
Коэффициент трения. Так как выполняется условие:
10/е2 = 10/0,005 =2000 < Re2 < 560/e2 = 560/0,005 =
112000
то коэффициент трения будет равен:
l2 = 0,11(е2 + 68/Re2)0,25
= 0,11(0,005 + 68/13490)0,25 = 0,035
4.2 Сумма
местных сопротивлений
åx = x1 +
x2 + 4x3 = 0,5 + 1,0 + 8×0,154 = 2,73
где x1 = 0,5 - вход
в трубу [2c.14]
x2 = 1,0 - выход из трубы
x3 = АВ = 1,4×0,11 = 0,154 - отвод круглого сечения
4.3
Гидравлическое сопротивление трубного пространства
= (0,035×6·9/0,040 + 2,73)1205×0,642/2
=12334 Па
4.4 Подбор насоса
Требуемый напор насоса
Н = DР/(rg) =12334/(1205×9,8) = 1,04 м
Объемный секундный расход
Q = G/r = 1,94/1205= 0,0016 м3/с
По этим двум величинам выбираем центробежный насос Х8/30, для которого
производительность Q = 2,4×10-3 м3/с, напор Н = 17 м [2c. 38].
4.5 Коэффициент
трения для воды в межтрубном пространстве
Скорость воды в межтрубном пространстве w1= 0,60 м/с
Относительная шероховатость:
Так как выполняется условие:
10/е1 = 10/0,010 = 1000 < Re1 < 560/e1 = 560/0,0100 =
56000,
то коэффициент трения будет равен:
l1 = 0,11(е1 + 68/Re1)0,25
= 0,11×(0,0100 + 68/32636)0,25 = 0,036
4.6 Сумма
местных сопротивлений
åx =9(x1 +
x2) = 13,5
где x1 = 0,5 - вход
в трубу [2c.14]
x2 = 1,0 - выход из трубы
4.7 Гидравлическое
сопротивление межтрубного пространства
= (0,036×6·9/0,020 + 13,5)×972×0,602/2 =19368 Па
4.8 Подбор
насоса
Требуемый напор насоса
Н = DР/(rg) = 19368/(972×9,8) = 2,0 м
Объемный секундный расход
Q = G / r = 2,11/972 = 2,17×10-3 м3/с
По этим двум величинам выбираем центробежный насос Х8/30, для которого
производительность Q = 2,4×10-3 м3/с, напор Н = 17 м [2c. 38]
5. Конструктивный расчет
5.1 Соединение
элементов
Соединение элементов между собой осуществляется с помощью калачей
радиусом 100 мм изогнутых на 180°.
5.2 Фланцы
Калачи и внутренне трубы снабжены плоскими приварными фланцами по ГОСТ
12820-80, конструкция и размеры которых приводятся ниже:
d
|
D
|
D2
|
D1
|
h
|
n
|
D
|
50
|
140
|
110
|
90
|
13
|
4
|
14
|
5.2 Опоры
Теплообменник крепится на сварном каркасе изготовленных из уголка №5.
Теплообменные элементы к опоре крепятся болтами с помощью хомутов
Литература
1. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и
задачи по курсу процессов и аппаратов.Л.:Химия,1987, 576 с.
2. Основные процессы и аппараты химической технологии:
Пособие по проектированию/ Под ред. Ю.И. Дытнерского. М.:Химия, 1983. 272 с.
3. Теплофизические свойства газов, растворителей и растворов
солей. Справочник /Сост. Е.М. Шадрина и др. Иваново. 2004.