Проектирование горизонтального кожухотрубного теплообменного аппарата для подогрева продукта перед упариванием

1/ρ = 10^-2*((100 – В_н)/ ρ_в + В_с/ ρ_с + В_ж/ ρ_ж)

ρ_в = 986,4 кг/ 7W_k = 1305 - 307*0,8 = 1059,4 кг/м³ – плотность сухих веществ

ρ_ж= 1098 – 0,605 Т_кип = 1098 – 0,605*(273 + 95) = 875,4 кг/м³ – плотность жира

1/ ρ_б = 10^-2*((100 - 6)/ 986,4 + 15/ 1059,4 + 5/ 875,4) = 0,001516

ρ_б = 659,63 кг/м³

Удельная теплоёмкость (5) 74:

С = 10^-2*((100 – В_н)* С_в + В_с* С_с + В_ж* С_ж)

С_в = 4,18 кДж/кг*К – удельная теплоёмкость воды (3) т. XXXIX

С_с = 3130 – 5,02 * Т_ср = 3130 – 1642,87 = 1487,13 Дж/кг*К - удельная теплоёмкость сухих веществ (6) II 133

С_ж = 1031 + 3,025 * Т_ср = 1031 + 989,98 = 2020,98 Дж/кг*К

С_б = 10^-2*((100 – 6)*4180 + 15*1487,13 + 5*2020,98) = 4253,32 Дж/кг*К.

Коэффициент теплопроводности (5) 75

    1/λ = 10^-2*((100 – В_н)/ λ _в + В_с/ λ _с + В_ж/ λ _ж)

    λ _в = 0,625 Вт/(м*К) – коэффициент теплопроводности воды (3) т. XXXIX

    λ _с = 0,531 Вт/(м*К) – коэффициент теплопроводности сухих веществ (6) т. II 8

    λ _ж = 0,359 * 0,00064 * Т_ср = 0,359 * 0,00064 * 327,265 = 0,075 Вт/(м*К) – коэффициент теплопроводности жира (6) II 289.

    1/ λ _б = 10^-2*((100 – 6)/ 0,625 + 15/ 0,531 + 5/ 0,075) = 2,3912

    λ _б = 0,418 Вт/(м*К)

    Динамический  коэффициент вязкости: (4) II-12

    µ _б = µ _ср(1 + 2,5φ)

    µ _ср = 0,507 мПа*с – динамический коэффициент вязкости воды (среды) (3) т. XI

      φ = В_н/100 = 6/100 = 0,06 – начальная концентрация в сотых долях

    µ _б = 0,507*(1+2,5*0,06) = 0,58305*10^-3 Па*с.

    2.7. Теплофизические характеристики конденсата при средней температуре.

    t^кд_ср = 84,469 ^oС (3) XXXIX

    ρ_кд = 968,5 кг/ м³

    λ _кд = 0,687 Вт/(м*К)

    С _кд = 4,220 кДж/(м*К)

    µ _кд = 0,3361*10^-3 Па*с

    2.8. Тепловой поток (5). 2

    Q = G_н * С_б * (t_к – t_н) = 0,5*4253,32*(94,53-14) = 171260 Вт

    2.9. Расчет конденсата с учётом 5% тепловых потерь в окружающую среду:                                                                                         (1) стр.44

    x_н = 1,05

    С_Ткд = x_н* Q/ С_кд * (t^кд_н - t^кд_к) = 1,05*171260/4220*(138-34) = 0,41 кг/с

    2.10. Компоновка теплообменника:

    Пропускаем  бульон по трубкам теплообменника, конденсат в межтрубном пространстве (1) стр. 41

    Диаметр трубок теплообменника принимаем в  соответствии с ГОСТ 9929 – 77 на теплообменные  аппараты (1).

    Принимаем стальные бесшовные трубы по ГОСТ 8734 – 78 диаметром 

d 25*2 мм (1) т.21.

 Внутренний  диаметр:

d_в =  d_н - 2δ_ст = 25 - 2*2 = 0,021 м

Расчётный диаметр:

d_р = d_н - δ_ст = 25 – 2 = 23мм = 0,023 м

Предварительно  принимаем турбулентное течение  бульона в трубах. Критерий Рейнольдса Re˃10000. Принимаем Re = 11000.

Количество трубок в одном ходе:                       (5) 3

n₁ = 4* G^б_н /π* d_в*Re* µ _б = 4*0,5/3,14*0,021*11000*0,58305*10^-3 ≈ 4

Принимаем, предварительно коэффициент теплопередачи от конденсата к бульону (1) т. 21

Кʼ = 800 Вт/(м²*К).

Площадь поверхности  аппарата, предварительно:                  (5)

Fʼ = Q/ Кʼ*∆t_ср = 171260/800*30,2 = 7,09 м²

Расчётная длинна одной трубки при одном ходе:

L₁ =0,318*F /d_р*n₁ = 0,318*7,09/0,023*4 = 24,51 м

Принимаем рабочую  длину трубок:

l = 4 м (1) стр. 65

Число ходов  в многозаходном теплообменнике                     (1) 3.12.

z = L/ l = 24,51/4 = 6,13

Принимаем z = 6

Размещаем трубки по вершинам правильных треугольников:

Шаг трубок S = 1,3* d_н  = 1,3*25 = 32,5 мм                              (1) стр.66.

Принимаем радиус окружности, на который располагаются  внутренние трубки:

r = 2* d_н  = 2*25 = 50 мм.

Радиус окружности, на который располагаются крайние  трубки:

R = r + 4*S = 50 + 4*32,5 = 180 мм.

Диаметр окружности, на которой располагаются крайние  трубки:

Dʼ = 2*R = 2*180 = 360 мм

Внутренний диаметр  корпуса теплообменника:                    (1) 3.14.

D_в = Dʼ + 4* d_н = 360 + 4*25 = 460 мм

Принимаем внутренний диаметр теплообменника d_в = 600 мм = 0,6 м

1. стр.67 (кратный 200).

Общее число  труб в теплообменнике: n₀ = n₁*z = 4*6 = 24

На основании  выполненной компоновки теплообменника, принимаем для дальнейших теплотехнических расчётов шестиходовой кожухотрубный  горизонтальный теплообменник, общее  число труб n₀ = 24. Число труб в ходе n₁ = 4. Внутренний диаметр корпуса D_в = 0,46 м 
 

2.11. Скорость бульона в трубках:                                     (1) 38.

ω _б = G_н/0,785* d²_в * n₁* ρ_б = 0,5/0,785*0,000441*4*659,63 = 0,55 м/с ˃ 0,1 м/с

1. стр.63.

2.12. Критерий Рейнольдса     (1) 2.26.

Re _б = ω _б*d_в* ρ_б/µ _б = 0,55*0,021*659,63/0,58305*10^-3 = 13067˃10000 – развитое турбулентное течение.

2.13. Расчётная формула    (3) 4.17.

Nu _б = 0,021 * Re^0,8 * Pr^0,43 *(Pr/Pr_ст)^0,25

Критерий Прандтля:              (3) 4.12.

Pr _б = С _б* µ _б/ λ _б = 4253,32*0,58305*10^-3/0,418 = 5,93.

Принимаем отношение  (Pr/Pr_ст)^0,25 = 1,05 для нагревающегося бульона (3) стр.152

Критерий Нуссельта:

Nu _б = 0,021 * 1963,09 * 2,15 * 1,05 = 93,1

Коэффициент теплоотдачи от стенки трубы к бульону:        (3) 4.11.

 = Nu _б * λ _б / d_в = 93,1*0,418/0,021 = 1853 Вт/(м²*К).

2.14. Проходное сечение межтрубного пространства:               (1) 3.3.

S = 0,785*( D²_в - n₀ * d²_н) = 0,785*(0,2116 - 24*0,000625) = 0,154 м²

2.15. Эквивалентный диаметр d_э = d_в = 0,021 м.

2.16. Скорость конденсата в межтрубном пространстве:             (1) стр. 64.

ω _кд = G_кд/0,785* d²_в * n₁ * ρ_кд = 0,41/0,785*0,000441*4*968,5 = 0,31 м/с

2.17. Критерий Рейнольдса:

Rе _кд  = ω _кд*d_э*ρ_кд/ µ _кд = 0,31*0,021*968,5/0,3361*10^-3 = 18759

2.18. Расчётная формула (3) 4.31. для шахматных пучков:

Nu _кд = 0,4 * ε _φ* Re^0,6 * Pr^0,36 *(Pr/Pr_ст)^0,25

Поправочный коэффициент  на обтекание сегментных перегородок, поддерживающих трубы (3) стр.157 ε _φ = 0,6.

Критерий Прандтля для конденсата:

Pr_кд = С _кд* µ _кд / λ _кд = 4220*0,3361*10^-3/0,687 = 2,065

Принимаем для  охлаждающегося конденсата отношение:

(Pr/Pr_ст)^0,25= 0,93                 (3) стр.152

Критерий Нуссельта:

Nu _кд = 0,4 *0,6*366,37*1,298*0,93 = 106,14.

Коэффициент теплоотдачи  от конденсата к стенке трубки:

= Nu _кд * λ _кд / d_н = 106,14*0,687/0,025 = 2916,7

2.19. Термическое сопротивление загрязнения стенки трубы со стороны конденсата:

r_з1 = 1/2500 м²*К/Вт

Термическое сопротивление  загрязнений трубы со стороны  бульона 

r_з2 = 1/2900 м²*К/Вт (органическая жидкость) (3) т. XXXIX

Коэффициент теплопроводности стали:

λ _ст = 42 Вт/м*К                                                     (3) т. XXVII

Суммарное термическое  сопротивление стенки трубы:  (5)

Σ r_ст = r_з1 + δ_ст/ λ _ст + r_з2 = 1/2500 + 0,02/42 + 1/2900 =

= 0,0004 + 0,00047619 + 0,000344827 = 0,00122  м²*К/Вт.

2.20. Коэффициент теплопередачи стали:

К = 1/(1/ + Σ r_ст + 1/ ) = 1/(1/2916,7 + 1/0,00122 + 1/1853) =

= 1/0,002102518 = 475,62  Вт/ м²*К

 2.21. Поверхность теплообмена:

F = Q/ К*∆t_ср = 171260/475,62*30,2 = 11,92 м²

2.22. Расчётная длина трубок:                         (1) стр.65

l = F/ π * d_р* 78 = 11,92/3,14*0,023*78 = 2,12 м.

На основании  характеристик теплообменников. ТН с трубами d 25*2

ГОСТ 15118-79 (3) т. 4.12, характеристик кожухотрубных аппаратов  типа ТН

По ГОСТ 9929-77, принимаем длину теплообменных  труб l_н = 3 м (1) табл.10

Принятая поверхность  теплообмена:

F _т = π * d_р* l_н * n₀ = 3,14*0,023*3*24 = 5,2 м²

2.23. Схема процесса теплопередачи.

Удельный тепловой поток:

q = К*∆t_ср = 475,62*30,2 = 14364 Вт/ м²

Разность температур конденсата и наружной поверхности  стенки трубы:

∆t₁ = q/ = 14364/2916,7 = 5 ^оС

Температура наружной поверхности стенки трубы:

t_ст1 = t^кд_ср - ∆t₁ = 84,5 – 5 = 79,5 ^оС

Разность температур поверхности стенки и бульона:

∆t₂ = q/   = 14364/1853 = 7,8 ^оС

Температура внутренней поверхности стенки трубы:

t_ст2 = t^б_ср - ∆t₂ = 80,5 – 7,8 = 72,7 ^оС 
 
 

      

    

    

 
 
 
 
 
 
 
 

3.Конструктивный  расчет.

3.1. Высота (длина) днища h. Принимаем h/ D_Н = 0,2 (1) т.58.

Находим высоту днища, приняв предварительно наружный диаметр корпуса теплообменника: D_Н  = 0,608 м.

h = 0,2* D_Н  = 0,2*0,608 = 0,125м.

3.2. Длина входной и промежуточной камер:

L _кам = 2* h = 0,25м

3.3. Длинна корпуса теплообменника:

L _к = l_н + 2* L _кам = 9 + 2*0,25 = 9,5м.

3.4. Габаритная длина теплообменника:

L _т = L _к + 0,1 = 9,5 + 0,1 = 9,6 м.

3.5. Расстояние от фланца до оси патрубка входа конденсатора,

принимаем =  0,15 м.

3.6. Диаметр окружности центров болтовых отверстий принимаем

 D_б  = D_в  + 0,07 = 0,6 + 0,07 = 0,67 м

3.7. Наружный диаметр фланца корпуса принимаем:

D_ф  = D_б  + 0,05 = 0,67 + 0,05 = 0,72 м.