3 Расчет предварительной поверхности теплообмена и выбор вариантов конструкции теплообменных аппаратов

Рассчитать необходимую поверхность кожухотрубного теплообменного аппарата, в межтрубном пространстве которого при атмосферном давлении конденсируются пары органической жидкости в количестве G, кг/ч. Тепло конденсации отводится водой с начальной температурой Т_н и температурой на выходе T_к. Подобрать нормализованный теплообменный аппарат.

Таблица 1 – Исходные данные

Рабочая среда	Назначение и тип аппарата	Расход G·10-3 , кг/ч	Температура
			Тн, С	Тк, С
Этанол	Конденсатор	14,6	18	30

Согласно рекомендациям:

 охлаждающую жидкость (воду) направляем по трубному пространству, а конденсирующийся пар этанола – в межтрубное пространство.

Температурная схема процесса представлена на рисунке 2. Определяем среднюю разность температур теплоносителей:

t_конд=78,4 ⁰С бензол t_конд=78,4 ⁰С

t_2к=30⁰С вода t_2н=18 ⁰С

t_м ⁰С  78,4  30  48,4 t_б ⁰С  78,4 18  60,4

Рисунок 2 - Температурная схема процесса конденсации бензола

Т.к. t_б/t_м<2, то

Средняя температура воды:

Общая тепловая нагрузка Q:

Вт

где r – удельная теплота парообразования этанола, определяемая при температуре конденсации, Дж/кг; r =837000 Дж/кг.

Расход воды:

где: С_в =4179 Дж/кг∙К- средняя удельная теплоемкость воды при t_ср2=24⁰С.

Определяется ориентировочное значение поверхности теплообмена, для чего по табл.4.8 [1] принимается ориентировочное значение коэффициента теплопередачи K_ор=300 Вт/(м² К):

Число параллельных труб диаметром 252 мм, обеспечивающих условие Re_тр10⁴ при известном расходе воды:

Число параллельных труб диаметром 202 мм, обеспечивающих условие Re_тр10⁴ при известном расходе воды:

Выбираем из табл. XXXIV [1] по ГОСТ 15121-79 варианты конструкций теплообменных аппаратов, удовлетворяющих условию n<432 и n<567 , F<208 м²

Таблица 2 – Параметры кожухотрубных теплообменных аппаратов

№ п/п	Диаметр кожуха, D, м	Наружный диаметр труб d, м	Толщина стенки δ, м	Число ходов по трубному пространству z	Число труб в пучке	Поверхность теплопередачи F, м^2	Длина труб N,
1	0,600	0,025	0,002	2	244	57	3,0
2	0,600	0,025	0,002	2	244	76	4,0
3	0,600	0,025	0,002	4	210	65	4,0
4	0,600	0,025	0,002	6	198	63	4,0

Далее произведём расчет теплообменного аппарата по программе COND, предварительно определив по справочной литературе [1] теплофизические параметры воды и изобутанола. Найденные значения параметров заносятся в таблицу идентификаторов.

4 Расчет по программе

Таблица 3 – идентификаторы к программе COND для 1 варианта

Наименование параметров	Размер ность	Обозначение		Значения
		в теории	в программе
Исходные и справочные данные
1. Расход нагреваемой жидкости	кг/час	Gтр	gtr0	87768
2. Начальная температура нагреваемой жидкости	С	Tн	tntr	15
3. Конечная температура нагреваемой жидкости	С	Tк	tktr	30
4. Температура конденсации пара	С	Tконд	td	80,2
5.Предварительный коэффициент теплопередачи		Kпр	kpr	300
6. Удельная теплота конденсации пара	Дж/кг	rк	rd	394000
Теплофизические параметры конденсата, определяемые при температуре Конденсации
7. Плотность конденсата	кг/м^3	к	rod	815
8. Вязкость конденсата	Пас	к	vd	0,316
9. Коэффициент теплопроводности конденсата	Вт/мК	к	ld	0,1278
Теплофизические параметры нагреваемой жидкости, определяемые при средней температуре жидкости
10. Средняя температура нагреваемой жидкости	С	T2ср	tstr	22,5
11. Плотность нагреваемой жидкости	кг/м^3	ж	rotr	997
12. Теплоемкость нагреваемой жидкости	Дж/кгК	Cж	ctr	4900
13. Вязкость нагреваемой жидкости	Пас	ж	vtr	0,0099
14. Коэффициент теплопроводности нагреваемой жидкости	Вт/мК	ж	ltr	0,54
15. Коэффициент теплопроводности стенки	Вт/мК	ст	lst	46,5
16. Терм. сопротивление загрязн.со стороны пара	м^2К/Вт	rз1	ry	0,00008
17. Терм. сопр. загрязн. со стороны жидкости	м^2К/Вт	rз2	rx	0,00034
Параметры теплообменного аппарата
18. Внешний диаметр трубы	м	dн	dh	0,025
19. Толщина стенки трубы	м	ст	delt	0,002
20. Внутренний диаметр трубы	м	d	d	0,021
21. Длина труб	м	L	L	3,0
22. Число ходов по трубному пространству	-	z	z	2
23. Тип теплообменника	-		tip	2
24.Расчетное число труб	шт.	N	C	765
Расчётные параметры
25. Средняя разность температур	С	Tср	dt	22,5
26. Расход пара	кг/c	Gп	gd	4,54
27. Общее количество теплоты	Вт	Q	qp	1532222
28. Число Рейнольдса в трубах	^-	Reтр	retr	12,85
29. Коэффициент теплоотдачи в трубах	Вт/м^2К	тр	alfatr	112,57
30. Коэффициент теплоотдачи в межтр.простр.	Вт/м^2К	мтр	alfamt	30,26
31. Коэффициент теплопередачи	Вт/м^2К	K	k	79,05
32. Требуемая поверхность теплообмена	м^2	F	f	503,5

Таблица 4 –идентификаторы к программе COND для 2 варианта

Наименование параметров	Размер ность	Обозначение		Значения
		в теории	в программе
Исходные и справочные данные
1. Расход нагреваемой жидкости	кг/час	Gтр	gtr0	87768
2. Начальная температура нагреваемой жидкости	С	Tн	tntr	15
3. Конечная температура нагреваемой жидкости	С	Tк	tktr	30
4. Температура конденсации пара	С	Tконд	td	80,2
5.Предварительный коэффициент теплопередачи		Kпр	kpr	300
6. Удельная теплота конденсации пара	Дж/кг	rк	rd	394000
Теплофизические параметры конденсата, определяемые при температуре Конденсации
7. Плотность конденсата	кг/м^3	к	rod	815
8. Вязкость конденсата	Пас	к	vd	0,316
9. Коэффициент теплопроводности конденсата	Вт/мК	к	ld	0,1278
Теплофизические параметры нагреваемой жидкости, определяемые при средней температуре жидкости
10. Средняя температура нагреваемой жидкости	С	T2ср	tstr	22,5
11. Плотность нагреваемой жидкости	кг/м^3	ж	rotr	997
12. Теплоемкость нагреваемой жидкости	Дж/кгК	Cж	ctr	4900
13. Вязкость нагреваемой жидкости	Пас	ж	vtr	0,0099
14. Коэффициент теплопроводности нагреваемой жидкости	Вт/мК	ж	ltr	0,54
15. Коэффициент теплопроводности стенки	Вт/мК	ст	lst	46,5
16. Терм. сопротивление загрязн.со стороны пара	м^2К/Вт	rз1	ry	0,00008
17. Терм. сопр. загрязн. со стороны жидкости	м^2К/Вт	rз2	rx	0,00034
Параметры теплообменного аппарата
18. Внешний диаметр трубы	м	dн	dh	0,025
19. Толщина стенки трубы	м	ст	delt	0,002
20. Внутренний диаметр трубы	м	d	d	0,021
21. Длина труб	м	L	L	4,0
22. Число ходов по трубному пространству	-	z	z	2
23. Тип теплообменника	-		tip	2
24. Расчетное число труб	шт.	N	C	203
Расчётные параметры
25. Средняя разность температур	С	Tср	dt	22,5
26. Расход пара	кг/c	Gп	gd	4,54
27. Общее количество теплоты	Вт	Q	qp	1532222
28. Число Рейнольдса в трубах	^-	Reтр	retr	20,903
29. Коэффициент теплоотдачи в трубах	Вт/м^2К	тр	alfatr	174,35
30. Коэффициент теплоотдачи в межтр.простр.	Вт/м^2К	мтр	alfamt	28,33
31. Коэффициент теплопередачи	Вт/м^2К	K	k	102,789
32. Требуемая поверхность теплообмена	м^2	F	f	412,90

Таблица 5 – идентификаторы к программе COND для 3 варианта

Наименование параметров	Размер ность	Обозначение		Значения
		в теории	в программе
Исходные и справочные данные
1. Расход нагреваемой жидкости	кг/час	Gтр	gtr0	87768
2. Начальная температура нагреваемой жидкости	С	Tн	tntr	15
3. Конечная температура нагреваемой жидкости	С	Tк	tktr	30
4. Температура конденсации пара	С	Tконд	td	80,2
5.Предварительный коэффициент теплопередачи		Kпр	kpr	300
6. Удельная теплота конденсации пара	Дж/кг	rк	rd	394000
Теплофизические параметры конденсата, определяемые при температуре Конденсации
7. Плотность конденсата	кг/м^3	к	rod	815
8. Вязкость конденсата	Пас	к	vd	0,316
9. Коэффициент теплопроводности конденсата	Вт/мК	к	ld	0,1278
Теплофизические параметры нагреваемой жидкости, определяемые при средней температуре жидкости
10. Средняя температура нагреваемой жидкости	С	T2ср	tstr	22,5
11. Плотность нагреваемой жидкости	кг/м^3	ж	rotr	997
12. Теплоемкость нагреваемой жидкости	Дж/кгК	Cж	ctr	4900
13. Вязкость нагреваемой жидкости	Пас	ж	vtr	0,0099
14. Коэффициент теплопроводности нагреваемой жидкости	Вт/мК	ж	ltr	0,54
15. Коэффициент теплопроводности стенки	Вт/мК	ст	lst	46,5
16. Терм. сопротивление загрязн.со стороны пара	м^2К/Вт	rз1	ry	0,00008
17. Терм. сопр. загрязн. со стороны жидкости	м^2К/Вт	rз2	rx	0,00034
Параметры теплообменного аппарата
18. Внешний диаметр трубы	м	dн	dh	0,025
19. Толщина стенки трубы	м	ст	delt	0,002
20. Внутренний диаметр трубы	м	d	d	0,021
21. Длина труб	м	L	L	4,0
22. Число ходов по трубному пространству	-	z	z	4
23. Тип теплообменника	-		tip	2
24.Расчетное число труб	шт.	N	C	350
Расчётные параметры
25. Средняя разность температур	С	Tср	dt	22,5
26. Расход пара	кг/c	Gп	gd	4,54
27. Общее количество теплоты	Вт	Q	qp	1532222
28. Число Рейнольдса в трубах	^-	Reтр	retr	26,75
29. Коэффициент теплоотдачи в трубах	Вт/м^2К	тр	alfatr	217,69
30. Коэффициент теплоотдачи в межтр.простр.	Вт/м^2К	мтр	alfamt	26,091
31. Коэффициент теплопередачи	Вт/м^2К	K	k	112,49
32. Требуемая поверхность теплообмена	м^2	F	f	645,29

Таблица 6 – идентификаторы к программе COND для 4 варианта

Наименование параметров	Размер ность	Обозначение		Значения
		в теории	в программе
Исходные и справочные данные
1. Расход нагреваемой жидкости	кг/час	Gтр	gtr0	87768
2. Начальная температура нагреваемой жидкости	С	Tн	tntr	15
3. Конечная температура нагреваемой жидкости	С	Tк	tktr	30
4. Температура конденсации пара	С	Tконд	td	80,2
5.Предварительный коэффициент теплопередачи		Kпр	kpr	300
6. Удельная теплота конденсации пара	Дж/кг	rк	rd	394000
Теплофизические параметры конденсата, определяемые при температуре Конденсации
7. Плотность конденсата	кг/м^3	к	rod	815
8. Вязкость конденсата	Пас	к	vd	0,316
9. Коэффициент теплопроводности конденсата	Вт/мК	к	ld	0,1278
Теплофизические параметры нагреваемой жидкости, определяемые при средней температуре жидкости
10. Средняя температура нагреваемой жидкости	С	T2ср	tstr	22,5
11. Плотность нагреваемой жидкости	кг/м^3	ж	rotr	997
12. Теплоемкость нагреваемой жидкости	Дж/кгК	Cж	ctr	4900
13. Вязкость нагреваемой жидкости	Пас	ж	vtr	0,0099
14. Коэффициент теплопроводности нагреваемой жидкости	Вт/мК	ж	ltr	0,54
15. Коэффициент теплопроводности стенки	Вт/мК	ст	lst	46,5
16. Терм. сопротивление загрязн.со стороны пара	м^2К/Вт	rз1	ry	0,00008
17. Терм. сопр. загрязн. со стороны жидкости	м^2К/Вт	rз2	rx	0,00034
Параметры теплообменного аппарата
18. Внешний диаметр трубы	м	dн	dh	0,025
19. Толщина стенки трубы	м	ст	delt	0,002
20. Внутренний диаметр трубы	м	d	d	0,021
21. Длина труб	м	L	L	4,0
22. Число ходов по трубному пространству	-	z	z	6
23. Тип теплообменника	-		tip	2
24.Расчетное число труб	шт.	N	C	519
Расчётные параметры
25. Средняя разность температур	С	Tср	dt	22,5
26. Расход пара	кг/c	Gп	gd	4,55
27. Общее количество теплоты	Вт	Q	qp	1532222
28. Число Рейнольдса в трубах	^-	Reтр	retr	28,79
29. Коэффициент теплоотдачи в трубах	Вт/м^2К	тр	alfatr	232,61
30. Коэффициент теплоотдачи в межтр.простр.	Вт/м^2К	мтр	alfamt	25,458
31. Коэффициент теплопередачи	Вт/м^2К	K	k	115,07
32. Требуемая поверхность теплообмена	м^2	F	f	889,19

Program COND;

Uses crt;

var

gtr0,gtr,tntr,tktr,ctr,kpr,fpr,qp,td,rd,rod,vd,ld,dtb,dtm,dt,tstr,

gd,rotr,vtr,ltr,lst,tip,L,dh,delt,z,A,B,C,retr,d,x,y,p,FA,FC,alfatr,alfamt,k,f,rx,ry:real;

ch:char; function power(base,expon:real):real;

begin

power:=exp(expon*ln(base));

end;

begin

clrscr;

writeln('Ввод данных для расчета теплообменника:');

write ('Введите расход нагреваемой жидкости:');readln(gtr0)

write('Начальная температура нагреваемой жидкости:');readln(tntr);

write('Конечная температура нагреваемой жидкости:');readln(tktr);

write('Введите температуру конденсирующегося пара:');readln(td);

{Вычисление средней разности температур}

dtb:=td-tntr;

dtm:=td-tktr;

tstr:=td-dt;

writeln('Средняя движущая сила равна:',dt:2:3);

writeln('Средняя температура нагреваемой жидкости равна:',tstr:2:3);

writeln('Введите теплоемкость нагреваемой жидкости при средней температуре:',ctr:2:3);

gtr:=gtr0/3600;

{Решение уравнения теплового баланса}

qp:=1.05*gtr*ctr*(tktr-tntr);

writeln('Количество теплоты, переданное жидкости равно: ',qp:2:3,' Вт');

{Выбор приближенного значения коэффициента теплопередачи}

write('Введите предварительный коэффициент теплопередачи:');readln(kpr);

{Определение предварительной поверхности теплообмена}

fpr:=qp/(kpr*dt); writeln('Ориентировочная поверхность теплообмена равна:',fpr:2:3,' м2');

write('Нажми любую клавишу . . .');readkey;

{Выбор стандартного аппарата из типоразмерного ряда}

clrscr;

writeln('Ввод исходных данных для уточненного расчета поверхности теплообмена:');

writeln('Введите основные теплофизические параметры конденсата:');

write('Введите удельную теплоту конденсации пара:');readln(rd);

write ('Введите плотность конденсата:');readln(rod);

write('Введите вязкость конденсата:');readln(vd);

write('Введите коэффициент теплопроводности конденсата:');readln(ld);

clrscr;

{Ввoд теплофизических параметров нагреваемой жидкости}

writeln('Введите основные теплофизические параметры при средней температуре:');

write('Введите плотность нагреваемой жидкости:');readln(rotr);

write('Введите вязкость нагреваемой жидкости:');readln(vtr);

write('Введите коэффициент теплопроводности нагреваемой жидкости:');readln(ltr);

write('Введите коэффициент теплопроводности стенки:');readln(lst);

write('Введите термическое сопротивление загрязнения со стороны пара:');readln(ry);

write('Введите термическое сопротивление загрязнения со стороны жидкости:');readln(rx);

{Определение расхода греющего пара}

gd:=qp/rd;

{Расчет уточненного коэффициента теплопередачи и поверхности теплообмена} ch:=' ';

while((ch<>'n')and(ch<>'N')) do

begin

clrscr;

write('Введите тип теплообменника (1-горизонтальный 2-вертикальный), [1,2]:');readln(tip);

write('Введите внешний диаметр трубы:');readln(dh);

write('Введите толщину стенки трубы:');readln(delt);

write('Введите длину труб:');readln(L);17

write('Введите число ходов:');readln(z);

write('Введите коэффициент, учитывающий число труб в вертикальном ряду в диаметраль ном сечении теплообменника:');readln(P);

JJ: = 2;

d:=dh-2*delt;

retr:=4*gtr*z/(pi*vtr*dwn*nt);

if J=1 then

begin

x:=0.023; y:=0.8;

end

else

begin

x:=0.008; y:=0.9; J: = 0;

end;

{Задание границ интервала поиска}

A: = 1;

B: = 5000;

repeat C: = (A + B) /2;

B2: = ltr * X / d * power(4 * gtr * z / (pi * vtr * d), Y) * power(ctr * vtr / ltr, (.43))ж

if tip=1 then B1: = 2.02 * P * ld * power(rod * rod * L / (vd * gd), (1 / 3))

ELSE

B1: = 3.78 * ld * power(rod * rod * dh / (vd * gd), (1 / 3))

Q = A

FA = power(Q, (-4 / 3)) / B1 + delt / lst / Q + power(Q, (Y - 1)) / B2 - pi * (dh - delt) * L * dt / (gd * rd)

Q = C

FC = power(Q, (-4 / 3)) / B1 + delt / lst / Q + power(Q, (Y - 1)) / B2 - pi * (dh - delt) * L * dt / (gd * rd)

IF SGN(FA * FC <= 0) THEN B: = C; ELSE A: = C;

until Not (ABS (B – A) <= .5) ;

End;

{Расчет поверхности теплообмена}

f:=z*pi*L*C*(dh+d)/2;

{Расчет числа Рейнольдса для теплоносителя в трубах}

retr:=4*gtr*/(pi*vtr*d*C);

IF retr >10000 THEN J = 1 ELSE J =0

{Расчет коэффициентов теплоотдачи}

Alfatr: = power(C, (-Y)) * (ltr * X / d) * power(4 * gtr / (pi * vtr * d), Y) * power(ctr * vtr / ltr, .43);

IF tip = 2 THEN

Alfamt: = power(C, 1 / 3) * 2.02 * P * ld * power(rod * rod * L / (vd * gd), 1 / 3);

ELSE

Alfamt: = power(C, 1 / 3) * 3.78 * ld * power(rod * rod * dh / (vd * gd), 1 / 3);

{Расчет коэффициента теплопередачи}

k:=1/(1/alfatr+ry+delt/lst+rx+1/alfamt);

clrscr;

writeln('Результаты расчетов:');

writeln('Число Рейнольдса для теплоносителя в трубах:',retr:1:2);

writeln('Коэффициент теплоотдачи в трубах:',alfatr:1:2,'');

writeln('Коэффициент теплоотдачи в межтрубном пространстве:',alfamt:1:2,'');

writeln('Коэффициент теплопередачи:',k:1:2);

writeln('Требуемая поверхность теплообмена:',f:1:2);

writeln('Число труб:',C:1:2);

writeln('Расход греющего пара:',f:1:2);

writeln;

write('Новый расчет y/n:'); repeat ch:=readkey; until(ch='y')or(ch='Y')or(ch='n')or(ch='N');

end;

end.