Расчет и проектирование вертикального кожухотрубного теплообменника для пастеризации продукта (стр. 3 из 6)

(

= Dотв - Dн)

S-толщина стенки трубы

К- коэффициент, учитывающий тип теплообменного аппарата:
К = 0,1 - для конденсаторов, маслоохладителей, водоподогревателей, испарителей, бойлеров и т.п.

К = 0,2 - для котлов

Для того, чтобы правильно выбрать инструмент для развальцовки труб в трубных решетках, необходимо располагать следующей информацией:

· материал трубной решетки;

· диаметр отверстий трубной решетки “Dотв” (см. рис. 3);

· толщина трубной решетки “H” (см. рис. 3);

· шаг перфорации (расстояние между центрами соседних отверстий) “t” (см. рис. 10);

· наличие в отверстиях трубной решетки уплотнительного рельефа, формируемого шариковым раскатником (см. рис. 4);

· наличие в трубной решетки канавок (см. рис. 5);

· наличие двойных трубных решеток, их толщины “Н₁” и “Н₂” и расстояние “B” между трубными решетками (см. рис.9);

· материал трубы;

· наружный диаметр трубы "Dн" (см. рис.6);

· толщина стенки трубы "S" (см. рис.6);

· высота выступания труб "h" над плоскостью трубной решетки (см. рис.6);

· глубина развальцовки труб "L" (см. рис.6);

· наличие отбуртовки конца трубы (см. рис.8);

· наличие сварки в соединении трубы с трубной решеткой (см. рис.7)

2 Расчетно-конструкторская часть.

2.1 Тепловой расчет аппарата.

Исходные данные. Проектируемый кожухотрубный теплообменник предназначен для пастеризации продукта от начальной (на входе в аппарат) температуры t₁=12 ⁰С, до конечной (на выходе из аппарата) t₂=70 ⁰С. Производительность аппарата G=2,8

. Продукт попадает в трубное пространство принудительно с помощью насоса и двигается по трубам со скоростью w=2,0 . Греющий пар подводится в меж трубное пространство с температурой t_п=140 ⁰С. Теплообменные трубы Æ30´2,5 мм (внешний диаметр d=30 мм, толщина стенки d_ст=2,5 мм), длина труб в пучке l_Т=2,5 г. Материал труб — медь, толщина слоя загрязнения на поверхности трубок s=0,001 г, абсолютная шероховатость внутренней стенки трубки D=0,01. Коэффициент полезного действия (к.п.д) насоса =0,8.

Средняя разность температур теплоносителя и продукта

, ⁰С (по формуле (1.16)):

,

Dt_б=t_п-t₁=140-12=128 ⁰С, (2.1)

Dt_м=t_п-t₂=140-70=70 ⁰С. (2.2)

Так как

=1,829<2, то средний температурный напор можно находить с определенной точностью как среднеарифметическую разность (соответственно формуле (1.17)):

⁰С.

Средняя температура продукта t_ср, ⁰С:

t_ср=t_п-Dt_ср=140-99=41 ⁰С. (2.3)

Разность температур теплоносителя и стенки Dt₁, ⁰С:

Dt₁=(R₁/R)Dt_ср=(0,6)×99=59,4 ⁰С (2.4) [1] Разность температур стенки и продукта Dt₂, ⁰С:

⁰С. (2.5)

Температура стенки со стороны теплоносителя Dt_ст1, ⁰С:

t_ст1=t_п-Dt₁=140-59,4=80,6 ⁰С. (2.6)

Температура стенки со стороны продукта Dt_ст2, ⁰С:

t_ст2=t_ср+Dt₂=41+33,66=74,66 ⁰С. (2.7)

Температура пленки конденсата теплоносителя t_пл, ⁰С:

t_пл=0,5(t_п+t_ст1)=0,5(140+80,6) =110,3 ⁰С. (2.8)

Теплофизические свойства пленки конденсата (при температуре пленки t_пл=110,3 ⁰С) (соответственно [6]): динамический коэффициент вязкости жидкости m_пл=0,228×10^-3 (Па×с), удельная теплоемкость c_пл=4,2×10³

, коэффициент теплопроводности l_пл=0,682 и плотность r_пл=950 . Удельная теплота конденсации пара (при температуре t_п=140 ⁰С) r=2150×10³ (соответственно [6]).

Коэффициент теплоотдачи от греющего пара к стенкам теплообменных трубок a₁,

:

(2.9)

.

Теплофизические свойства продукта, который нагревается (при температуре t_ср=41 ⁰С) (соответственно [6]): динамический коэффициент вязкости m_пр=0,719×10^-3 (Па×с), коэффициент объемного расширения b_пр=0,397×10^-3

, удельная теплоемкость c_пр=4159 , коэффициент теплопроводности l_пр=0,634 и плотность r_пр=991 .

Теплофизические свойства пристеночного слоя продукта (при температуре t_ст2=74,66 ⁰С) (соответственно [6]): коэффициент динамической вязкости m_ст=0,4×10^-3 (Па×с), удельная теплоемкость c_ст=4225

, коэффициент теплопроводности l_ст=0,669 и плотность r_ст=975 .

Критерий Рейнольдса (Re) для потока продукта:

(2.10)

Критерий Прандтля для потока продукта (Pr) и для пристеночного слоя продукта (Pr_ст):

, (2.11)

. (2.12)

Критерий Нуссельта (Nu) (для случая развитого турбулентного движения жидкостей в трубах и каналах (Re>10000) по формуле (1.8)):

Nu=

Nu=

=355.

Коэффициент теплоотдачи от стенки теплообменных труб к продукту a₂,

:

(2.13)

Термическое сопротивление стенки ( без учета термического сопротивления загрязнений) R_ст,

:

R_ст=

,[2] (2.14)

Общий коэффициент теплопередачи между средами К,

(по формуле (1.7)):

.

Тепловая нагрузка аппарата (количество тепла, которое передается через поверхность теплообмена от теплоносителя до продукта) Q, (Вт) (по формуле (1.4)):

Q=Gc_пр(t₂-t₁)=2,8×4159(70-12)=675422 Вт.

Необходимая поверхность теплообмена F, (м²) (по формуле (1.1)):

(м²).

Затрата теплоносителя (греющего пара) G_гр,

:

. (2.15) [3]

2.2 Конструктивный расчет аппарата

Площадь сечения всего потока продукта (площадь сечения пучка труб) f, (м²):

(м²), (2.16)

Количество труб n₁ в трубном пучке:

(2.17)

принимается n₁= 3 теплообменных трубы в каждом ходе по трубному пространству.