Ориентировочный выбор теплообменника

Греющий пар конденсируется в межтрубном пространстве, а этиловый спирт дви­жется по трубам. Принимаем ориентировочное зна­чение критерия Рейнольдса Re_ор = 15000, соответствующее развитому турбулентному режиму движения жидкости, при котором обеспечи­ваются наилучшие условия теплообмена.

Число труб приходящееся на один ход теплообменника:

n/z = G₂/0,785Re_орd_внμ₂,

где d_вн – внутренний диаметр трубок,

μ₂ = 1,2∙10^-3 Па∙с – вязкость этилового спирта при 52,7 ºС [1 c. 516].

для труб 20×2 d_вн = 0,016 м

n/z = 1,38/0,785∙15000∙0,016∙1,2∙10^-3 =6.

Принимаем также ориентировочное значение коэффициента теплопе­редачи К_ор = 500 Вт/м²∙К [1 c. 172], тогда ориентировочная по­верхность теплообмена:

F_ор = Q/K_ор Δt_ср = 301,24∙10³/500∙51,50 =11,69 м².

Принимаем теплообменник с близкой поверхностью теплообмена: 2-х ходовой с диаметром кожуха 325 мм и 30 трубками 20×2 [2c.51].

 

Коэффициент теплоотдачи от стенки к раствору

a₂ = Nu₂l₂/d_вн,

где l₂ = 0,670 Вт/м×К – теплопроводность этилового спирта,

Nu₂ – критерий Нуссельта.

Фактическое значение критерия Рейнольдса:

Re₂ = G₂/[0,785d_вн(n/z)m₂ =

= 1,38/[0,785×0,016(30/2)1,2×10^-3 = 6104

Режим движения турбулентный в этом случае критерий Нуссельта:

Nu₂ = 0,021Re₂^0,8Pr₂^0,42(Pr₂/Pr_ст2)^0,25,

где Рr₂ = 11 – критерий Прандтля для этилового спирта при 52,7 °С [1c.564].

Принимаем в первом приближении отношение (Pr₂/Pr_ст2)^0,25 = 1, тогда

Nu = 0,021×6104^0,8×11^0,43 = 62,8.

a₂ = 62,8×0,670/0,016 = 2629 Вт/м²×К.

Коэффициент теплоотдачи от пара к стенке

, [6с.55]

где r₁ = 932 кг/м³ – плотность конденсата [1c.537],

m₁ = 0,207×10^-3 Па×с – вязкость,

l₁ = 0,684 Вт/(м×К) – теплопроводность

Физико-химические свойства конденсата взяты при температуре конденсации 100 °С.

a₁ = 3,78×0,684[932²×0,020×30/(0,207×10^-3×0,133)]^1/3 = 6890 Вт/(м×К).

 

 

3.6. Тепловое сопротивление стенки:

где d_ст = 0,002 м – толщина стенки трубки;

l_ст = 17,5 Вт/м×К – теплопроводность стали [1 c.529];

r₁ = r₂ = 1/5600 м×К/Вт – тепловое сопротивление загрязнений сте-

нок [1 c.531];

S(d/l) = 0,002/17,5 + 1/5600 + 1/5600 = 4,6×10^-4 м×К/Вт.

3.7. Коэффициент теплопередачи:

K = 1/(1/a₁+S(d/l)+1/a₂) =

1/(1/6890+4,6×10^-4+1/2629) = 1014 Вт/м²×К.

 

3.8. Температуры стенок:

t_ст2 = t_ср2 + КDt_ср/a₂ = 51,50 + 1014×52,7/2629 = 71,8 °С.

Уточняем коэффициенты теплоотдачи.

Критерий Прандтля для раствора при t_ст2 =71,8 ® Pr_ст2 = 9

a_2ут = a₂(Pr₂/Pr_ст2)^0,25 = 2629(11/9)^0,25 = 2764 Вт/м²×К.

Уточняем коэффициент теплопередачи:

K = 1/(1/6890+4,6×10^-4+1/2764) = 1034 Вт/м²×К.

Температура стенки:

t_ст2 = 51,50 + 1034×52,7/2764 =71,2 °С.

Полученные значения близки к ранее принятым и дальнейших уточне­ний не требуется.

3.9. Поверхность теплообмена:

F = Q/KDt_ср = 301,24×10³/1014×52,7 = 5.63 м²

Выбираем теплообменник с ближайшей большей поверхность тепло-

Обмена: 2х ходовой теплообменник с длиной труб 3 м, у которого по-

верхность теплообмена 6,0 м² [2 c.51].

 

Конструктивный расчет

4.1. Толщина обечайки:

d = DP/2sj +C_к,

где D = 0,3 м – внутренний диаметр аппарата;

P = 0,1 МПа – давление в аппарате;

s = 138 МН/м² – допускаемое напряжение для стали [2 c.76];

j = 0,8 – коэффициент ослабления из-за сварного шва [2 c.77];

C_к = 0,003 м – поправка на коррозию.

d = 0,3×0,1/2×138×0,8 + 0,003 = 0,003 м.

Согласно рекомендациям [3 c.24] теплообменник изготовляется из труб диаметром 325´12, т.о. толщина обечайки d= 12 мм.

Днища.

Наибольшее распространение в химическом машиностроении получили эллиптические отбортованные днища по ГОСТ 6533 – 78 [3 c.25], толщина стенки днища d₁ =d = 12 мм.

 

 

 

Рис. 3 Днище теплообменника

 

Штуцера.

Диаметр штуцеров рассчитывается по формуле:

d = ,

где G – массовый расход теплоносителя,

r - плотность теплоносителя,

w – скорость движения теплоносителя в штуцере.

Принимаем скорость жидкости в штуцере w = 1,0 м/с, скорость пара в

штуцере 15 м/с, тогда

диаметр штуцера для входа пара

d₁ = (0,133/0,785×15×1,65)^0,5 = 0,018 м,

принимаем d₁ = 20 мм;

диаметр штуцера для выхода конденсата:

d₂ = (0,133/0,785×1,0×932)^0,5 = 0,016 м,

принимаем d₂ = 20 мм;

диаметр штуцера для входа и выхода раствора:

d_3,4 = (1,38/0,785×1,0×790)^0,5 = 0,018 м,

принимаем d_3,4 = 20 мм.

Все штуцера снабжаются плоскими приварными фланцами по ГОСТ 12820-80, конструкция и размеры которых приводятся ниже:

 

Рис. 5 Фланец штуцера

 

dусл	D	D2	D1	h	n	d

 

Опоры аппарата.

Максимальная масса аппарата:

G_max = G_a+G_в = 740 +212 = 952 кг = 0,009 МН,

где G_a = 740 кг – масса аппарата [2 c.56]

G_в – масса воды заполняющей аппарат.

G_в = 1000×0,785×0,30²×3 = 212 кг

Принимаем, что аппарат установлен на двух опорах, тогда нагрузка приходящаяся на одну опору:

G_оп = 0,009/2 = 0,0045 МН

По [4 c.673] выбираем опору с допускаемой нагрузкой 0,01МН.

 

Рис. 6 Опора аппарата.