Расчет теплообменного аппарата для подогрева исходного раствора до температуры кипения

Условие: рассчитать теплообменный аппарат (кожухотрубчатый горизонтальный) для нагрева 4 кг/с водного раствора (Х_н = 12%) Са(NO3) 2 от 25 до 77,8 ^оС. Принимаю абсолютное давление греющего пара. Принимаю, что раствор в трубном пространстве течет в турбулентном режиме.

Кожухотрубчатые подогреватели предназначены для конденсации паров в межтрубном пространстве, а также для подогревания жидкостей за счет теплоты конденсации пара. В качестве теплоносителя используется насыщенный водяной пар давлением Р_{г п} = 0,104 МПа. Удельная теплота конденсации , температура греющего пара t_г.п. = 101,18 ^оС

Тепловой поток, принимаемый исходной смесью и ,соответственно, отдаваемый насыщенным водяным паром:

 

(35)

 

Расход насыщенного водяного пара:

 

 (36)

 

Средняя разность температур теплоносителей:

 (37)

 

Ориентировочно определяю максимальную величину площади поверхности теплообмена. По табл.4.8 /3/ минимальное значение коэффициента теплопередачи для случая теплообмена от конденсирующегося водяного пара к воде К_мин = 800 Вт/(м² К). При этом

 

 (38)

 

Задаваясь Re=15000 определим соотношение n\z для подогревателя из труб мм.

 

n\z = 4*G1/π*μ*d* Re, (39)

 

где n – число труб;

z – число ходов потрубному пространству;

μ=0,00038 Па·с;

 

n\z = 4*4/3,14*0,00038*15000*0,016=55

 

Уточненный расчет поверхности теплопередачи:

Наиболее близкое к заданному значению у подогревателя: D=325 мм, d_тр = мм, число ходов 2, число труб 90. Тогда n\z = 45

Наиболее близкую поверхность имеет аппарат:

L=4 м² F=22,5 м²

Действительное число Re считается по формуле:

 

Re=4* G1 * z /π*μ*d* n (40)

Re=4*4*2/3,14*0,00038*0,016*90=18624

 

Коэффициент теплоотдачи к раствору определим пренебрегая поправкой  Pr=4, при t = 45º

 

(41)

 

Коэффициент теплоотдачи от пара определим по уравнению

 

 (42)

 

Принимаю проводимость загрязнений со стороны греющего пара , со стороны раствора  . Коэффициент теплопроводности стали . Тогда

 (43)

 

Коэффициент теплопередачи:

 

 (44)

 

Расчетная площадь поверхности теплообмена:

 

 (45)

 

Запас площади поверхности теплообмена:

Гидравлическое сопротивление в трубном пространстве рассчитываем по формуле:

 

p= z*L*λ*ω²*ρ/2*d+(2,5(z-1)+2*z)* ω²*ρ/2+3* ω²*ρ/2 (46)

Скорость 12٪ Са(NO3) 2 рассчитывается по формуле:

 

ω=4*G1*z/π*d²*n*ρ (47)

ω =4*4*2/3,14*0,016² *90*1095=0,4 кг/с

Коэффициент трения в трубах рассчитывается по формуле:

 

λ=025*(lg(e/3,7+(6,81/Re)ª))-² (48)

 

где е=0,0002/0,016 =0,00125

Тогда λ=0,25*(lg(0,00125/3,7+(6,81/18624)ª))-² =0,0289

Скорость раствора в штуцерах рассчитывается по формуле:

 

ω=4*G1/π*d²*ρ  (49)

ω=4*4/3,14*0,15²*1095= 0,21 кг/с

Гидравлическое сопротивление в трубном пространстве:

p= 2*4*0,0289*0,4²*1095/0,016*2+(2,5(2-1)+2*2)* 0,4²*1095/2+3* 0,21²*1095/2 =5681Па

Заключение

 

В результате проведенных расчетов спроектирована однокорпусная выпарная установка для упаривания раствора Са(NO3) 2 производительностью 4 кг/ч. В результате вычислений выяснено, что для осуществления процесса необходим аппарат с поверхностью теплопередачи 315 м².

Также произведен подбор вспомогательного оборудования:

1.барометрический конденсатор

 

Таблица 1

Внутренний диаметр конденсатора dбк	1000 мм
Скорость воды в барометрической трубе vв	1,26 м/с
Расход охлаждающей воды Gв	36,73 кг/с
Внутренний диаметр барометрической трубы равен dбт	200 мм
Высота барометрической трубы Нбт	7,65

 

2.вакуум-насос

 

Таблица 2

Типоразмер	Остаточное давление, мм рт. ст.	Производительность, м3/мин	Мощность на валу, кВт
ВВН-12	23	12	20

 

3.двуходовой кожухотрубчатый теплообменник

 

Таблица 3

Поверхность теплообмена F, м2	Внутренний диаметр кожуха D, мм	Число труб n	Длина труб L, м
22,5	325	90	4,0