Розділ 4. .Розрахунок та вибір основного та допоміжного обладнання [21-22]

Розрахуємо теплообмінник, у якому охолоджується продукт, що виходить . Розрахунок теплообмінника здійснюємо за спрощеною схемою, яка наведена у [57]

Мета теплового розрахунку - визначення необхідної поверхні теплообміну проектованого апарату. Розрахунок поверхні теплообміну заснований на спільному вирішенні рівнянь теплового балансу і теплопередачі.

Рівняння теплового балансу

Q = G₁∆J₁= G₂∆J₂ + Q_втр (7.2.1)

де Q - тепловий потік, Вт; G₁ і G₂ - маси теплоносіїв, що обмінюються теплотою, кг/с; ΔJ₁ і ΔJ₂ - зміни тепломісткості теплоносіїв в процесі теплообміну, Дж / кг; Q_втр - втрати теплового потоку в навколишнє середовище, Вт ( 2-3% від загального теплового потоку – буде враховано в подальшому шляхом збільшення обчисленої величини поверхні теплообміну). .

G₁=3,215 кг/с – масовий потік продукту- гідравлічної оливи

G₂ =3,095 кг/с – масовий потік сировини – трансфоматорної оливи.

∆J₁ = c₁(t_1п-t_1к )

∆J₂ = c₂ (t_2п-t_2к )

c₁ =2,5 кДж/(кг٠ град) – теплоємність гідравлічної оливи

c₂ = 1,5 кДж/(кг٠ град) - теплоємність трансфоорматорної оливи

t_1п =100^оС – початкова температура гідравлічної оливи;

t_1к = 30^оС - температура гідравлічної оливи на виході з теплообмінника;

t_2п =20^оС - початкова температура трансформаторної оливи;

t_2к =40^оС - температура трансформаторно оливи на виході з теплообмінника

У теплообмінних апаратах, покритих ізоляцією, теплові втрати не перевищують 3-5% теплоти, що корисно використовується. Тому в розрахунках ними можна нехтувати.

. 1.Визначення теплового навантаження:

Q₁ = G₁c₁(t_1п - t_1к ) = 3,215 кг/с · 2000 Дж/(кг ·К) · (100 - 30) К= 450100 Вт.

_с. , _>

t_1п= 100 > t_1к= 30

t_2к= 40 < t_2п = 20

∆t_б = 60 ∆t_м = 10

Через те, що ∆t_б/∆t_м = 60/10 = 6 >2 визначаємо ∆t_ср за формулою 7.2. 2 [] :

∆t_сер = (∆t_б – ∆t_м ) [2,3 lg(∆t_б /∆ t_м )] = 27,94 ^оC (7.2.2.)

Поверхня теплообміну (м²) визначається з основного рівняння теплопередачі [ ] :

F = Q/(k∆t_сер) (7.2.3.)

де Q - тепловий потік, Вт;

k - коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м²К).

t_сер - середня різниця температур, або температурний напір, К.

Коефіцієнт теплопередачі для плоскої багатошарової стінки

(7.2.4)

де α₁ і α₂ - коефіцієнти тепловіддачі від теплоносія до стінки і від стінки до іншого теплоносія, Вт / (м²К); Σ (δ / λ)-сума термічних опорів стінки, м²-К/Вт.

Розрахунок проведемо за спрощеною схемою, беручи значення коефіцієнтів теплопередачі k [Вт / (м²-К)] з наведено в таблиці 5.1, що наведена в [57].

Таблиця 7.1.

Коефіцієнти теплопередачі, k

	Коефіцієнт теплопередачі k, Вт/(м^2К), для руху ррурухурухувижения		Призначення теплообмінника
Вид теплообміну і середовище	вимушеного	вільного
Від газу до газу (при невисоких тисках) Від газу до рідини	10—40 10—60	4—2 6—0	Газові холодиль­ники
Від рідини до рідини (вода) Від рідини до рідини (масло)	800—1700 230-460	140—340 120—270	Підігрівачі і холодильники
Від пари, що конденсується, до газу Від пари, що конденсується до води Від пари, що конденсується до киплячій рідини	10—60 800—3500	6—12 300—1200 300—3500	Підігрівачі Випарювачі
Від пари, що конденсується, до органічних рідин Від пари органічних речовин, що що конденсуються, до води	120—340 300—800	60—170 230-460	Підігрівачі і конденсатори

У теплообміннику, який будемо використовувати у нашому проекті, для заощадження енергії нагрівання трансформаторної оливи, яка поступає в апарат проводиться продуктом, що виходить з апарата самовільно і має температуру 100 ^оС, виходячи з цьго вибираємо з таблиці коефіцієнт теплопередачі між значеннями 120—270 Вт/(м²К), а саме 200 Вт/(м²К).

З гідно розрахунку теплове навантаження на теплообмінник становить 45010 Вт.

Знайдемо площу поверхні теплообміну :

F = Q/(k∆t_сер) = 450100 Вт /[(200 Вт/(м²К) ×27,94 К ]= 64,3м².

Отриману розрахункову поверхню теплообміну за рекомендацією збільшимо на 15-20%, що складе 77,16 м².

За знайденою поверхнею теплообміну визначимо за [Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии. Ч.2 – М.:Химия, 1995. – 368с ] конструктивні розміри: діаметр і довжину труб в теплообмінникe.

Вибираємо кожухотрубчастий тeплообмінник. 

Ці тeплообмінники  досить прості у виготовленні, відрізняються можливістю розвивати велику поверхню теплообміну в одному апараті, надійні в роботі Зазвичай теплоносій, що нагрівають, подається знизу, а теплоносій, що охолоджується, - зверху вниз протитечією. Такий рух теплоносіїв сприяє більш ефективному перенесенню теплоти, так як при цьому відбувається збіг напрямку руху кожного теплоносія з напрямком, в якому прагне рухатися даний теплоносій під впливом зміни його густини при нагріванні або охолодженні.

Отже, гарячий продукт - гідравлічної оливи – буде подаватися у трубний простір теплообмінника, оскільки її в’язкість в умовах надходження буде меншою, ніж трансформаторної оливи.

Для забезпечення гарної герметизації теплообмінника кріплення труб в решітці зробимо розвальцьовуванням (рис. 13 - 3, а, б). 

Крок розміщення труб t при їх закріпленні розвальцюванням вибирають залежно від зовнішнього діаметра d_H труби в межах t = (1,3 - 1,5) d_H. Вибираємо трубку 25х5 мм. Отже, за цих умов t = 32 мм.

Діаметр D теплообмінника можна знайти за формулою [ ]: D = t (b -1) + 4d_H, (7.2.5),

де b = 2а - 1 число труб, розміщених на діагоналі шестикутника при шаховому розташуванні труб,

а - число труб на стороні найбільшого шестикутника.

Розрахунок зовнішнього розміру кожуха теплообмінника дає значення D =1450 мм. Виходячи із значень величини поверхні теплообміну та розміру трубки, знайдено ії довжину , яка станвить 982,9 м . Якщо прийняти довжину теплообмінника 4 м, то потрібно 245,7 трубок. Приймаємо 246 трубок.

Сконструюємо одноходовий кожухотрубчастий теплообмінник (рис. 13-1), де обидва теплоносія, не змінюючи напрямку, рухаються по всьому перетину (один по трубному, інший - по міжтрубному). 

Для збільшення швидкості в міжтрубному просторі в ньому встановлюють ряд сегментних перегородок 2 (рис 13-5). У горизонтальних теплообмінниках ці перегородки є одночасно опорами для труб.

Рис.4.1.Теплообмінник

Рис.4.2. Переріз теплообмінника

Рис.4.3..Розвальцовування труб та їх розміщення