Задачи

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 про­
исходит 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 хла-доагента 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.

3. Материальный и тепловой расчет

3.1. Температурный режим аппарата

Принимаем противоточную схему движения теплоносителей

GhbПар поступает в межтрубное пространство, а раствор двигается по внутренней трубе

 

Рис. 2 Схема движения теплоносителей

3.2. 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= 441,2 кВт.

3.4. 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

l = 0,677 Вт/м×К – коэффициент теплопроводности [3c.55]

Примем в первом приближении (Pr2/Pr2ст)0,25 = 1, тогда

Nu2 = 0,023×8×12,20,4 = 126,0

a2 = Nu2l2/dвн = 126,0×0,677/0,040 =2132 Вт/(м2×K)

3.6. 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 = 0,023×8×2,210,4 = 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]

3.9. 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

3.10 Коэффициент теплопередачи

К = 1/(1/2132+ 5,73×10-4 + 1/4352) = 786 Вт/(м2×К)

3.11.  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).

3.12 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

3.13. Поверхность теплообмена

F = Q/( KDtср) =441,2×103/(800×35,0) =15,75 м2

3.14. 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:

e1= D/dэ = 0,0002/0,020 = 0,0100.

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 , конструкция и размеры которых приводятся ниже:

d	D	D2	D1	h	n	D
50	140	110	90	13	4	14

5.3.  Опоры

Теплообменник крепится на сварном каркасе изготовленных из уголка №5. Теплообменные элементы к опоре крепятся болтами с помощью хомутов

Литература

1.  , , Носков и задачи по курс про­цессов и аппаратов. Л.:Химия,1987, 576 с.

2.  Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию/ Под ред. . М.:Химия, 19с.

3. Теплофизические свойства газов, растворителей и растворов солей. Спра-

вочник /Сост. и др. Иваново. 2004.