Расчет кожухотрубчатого теплообменника

    1. Расчет горизонтального подогревателя. 

1.1 Данные для расчета. 

      Массовый  расход нитрозных разов, G_гн, кг/час 68257,5

      Массовый  расход хвостовых газов, G_хг, кг/час 62165

      Среда:

         - в трубном пространстве  нитрозные газы;

         - в межтрубном пространстве  хвостовые газы.

      Температура нитрозных газов:

         - на входе, t_1н, 8С 295…300

         - на выходе, t_1к, 8С 260…265

      Температура хвостовых газов:

         - на входе, t_2н , 8С 200…205

         - на выходе, t_2к, 8С 245…250 

1.2. Расчет физических параметров  газов при рабочих условиях. 

    Средняя температура нитрозных газов:

    ⁰С. 

          Средняя температура  хвостовых газов:

     ⁰С. 

      Состав  хвостовых газов по компонентам.

      Таблица 1.1

      

      Таблица 1.2

      Состав  нитрозных газов до окисления.

    

     При 85 %-ом превращении NO в NО₂ по реакции:

     O₂ + 2NO → 2NO₂,

     потребность в кислороде:

     кг/час.

    Кислород  в остатке:

     кг/час.

    Количество  образующегося NO₂:

     кг/час.

    Таблица 1.3.

    Состав  нитрозных газов после окисления (при 85 % окислении NO в NO₂).

      

    1) Плотность: 

     ,

    где ρ₀ – плотность газа при нормальных условиях, кг/м³; Р,– давление газа при рабочих условиях, кгс/м²; Т – температура газа при рабочих условиях, К. 

      Плотность нитрозных газов при нормальных условиях (н.у.):

      кг/м³.

      Плотность нитрозных газов при рабочих  условиях:

        кг/м³.

      Плотность хвостовых газов при нормальных условиях (н.у.):

      кг/м³.

      Плотность хвостовых газов при рабочих условиях:

      кг/м³. 
 

      2) Теплоемкость:

      

,

      где а₀, b₀, c₀ – молярный (объемный) процент отдельного компонента в смеси;

             С_N2, C_O2, C_H2O – молярные теплоемкости. (см. Бесков С.Д. «Техно-химические расчеты», с. 410) при рабочих условиях, ккал/кг∙моль.

      = 1,169 кДж/кг∙К.

      

кДж/кг∙К. 

     3) Динамическая вязкость:

     ,

     где М_см, М₁, М₂,… - мольные массы смеси газов и отдельных компонентов;  μ_см, μ₁, μ₂, … - соответствующие динамические коэффициенты вязкости; у₁, у₂,… - объемные доли компонентов в смеси.[1]

     Нитрозные газы: 
 
 
 

    М_см = М₁ ∙ у₁ + М₂ ∙ у₂+…, тогда 

    М_см =0,7156 ∙ 28+0,0832 ∙ 46+0,0147 ∙ 31+0,0198 ∙ 32+0,1667 ∙ 18=27,94 

      Па∙с. 

    Хвостовые газы: 
 
 
 

    М_см = М₁ ∙ у₁ + М₂ ∙ у₂+…, 

    М_см =0,95 ∙ 28+0,0002 ∙ 46+0,001 ∙ 31+0,025 ∙ 32+0,025 ∙ 18=27,88 

      Па∙с. 
 
 
 

     4) Теплопроводность: 

    ,

    где μ – динамический коэффициент вязкости газа, Па·с; В = 0,25(9k – 5); k = c_p/c_v – показатель адиабаты; с_р и c_v – удельная теплоемкость газа при постоянном давлении и при постоянном объеме, соответственно, Дж/(кг·К).

    Так как для газов данной атомности  отношение с_р/с_v есть величина приблизительно постоянная, то для одноатомных газов В = 2,5, для двухатомных B = 1,9, для трехатомных В = 1,72.

     Показатель  адиабаты нитрозных и хвостовых  газов приблизительно равен 1,4.

     Тогда В = 0,25(9k – 5)=0,25∙ (9∙1,4-5)=1,9. 

     Теплопроводность  нитрозных газов:

       Вт/м∙К. 

     Теплопроводность  хвостовых газов:

       Вт/м∙К. 
 

     1.3. Расчет неизвестных температур.

     Горизонтальный  подогреватель (Т-202А) разогревает хвостовые газы с t_нач=205 ⁰С до t_к=250 ⁰С.

     Количество  теплоты, которое необходимо сообщить хвостовым газам для нагрева  до необходимой температуры: 

     где G – массовый расход газа, кг/с; с – теплоемкость газа при средней температуре, Дж/кг∙К.

      кДж/ч (915206,94 Вт). 

Поверхность теплообмена вычисляется по формуле:

F =

    Для расчета вертикального подогревателя необходимо знать температуру входящих в него нитрозных газов и выходящих из него хвостовых газов. Для расчета данных температур составим тепловой баланс для горизонтального подогревателя.

      Рассмотрим одноходовой кожухотрубчатый теплообменник:

    - поверхность теплообмена F = 234 м²,

    – внутренний диаметр корпуса D = 1400 мм,

    - диаметр внутренней оболочки Dвн = 1100 мм,

    – теплообменные трубки d = 25 мм,

    – толщина стенки трубки δ_ст = 2 мм.

    – количество трубок 994 шт. 

    Площадь проходного сечения по трубам:

    S_т=994 ∙ 0,785 ∙ 0,021²=0,344 м². 
 

    Площадь проходного сечения в межтрубном пространстве:

    S_сж=0,785∙1,1²– 0,785∙994∙0,025² = 0,4622 м². 

    Критериальные показатели вычисляются по [1] для кожухотрубчатого теплообменника с противотоком. 

    Критерий  Рейнольдса : 
 

    Скорость  среды:

     

    - в трубном пространстве: 

     м/с. 

    - в межтрубном пространстве: 

     м/с. 

    Критерий  Рейнольдса для трубного пространства (ГН): 
 
 

    Критерий  Рейнольдса для межтрубного пространства (ХГ): 
 
 

    Критерий  Прандтля: 
 

    Критерий  Прандтля для трубного пространства (ГН): 
 
 

    Критерий  Прандтля для межтрубного пространства (ХГ): 
 
 
 
 
 

    Критерий  Нуссельта: 

    принимаем равным 1, так как  для газов критерий Pr является величиной  приблизительно постоянной, не зависящей от температуры  и давления. 

    Критерий  Нуссельта для трубного пространства (ГН): 
 
 

    Критерий  Нуссельта для межтрубного пространства (ХГ): 
 
 

    Коэффициент теплоотдачи: 
 

    Коэффициент теплоотдачи для трубного пространства (ГН): 
 
 

    Коэффициент теплоотдачи для межтрубного  пространства (ХГ): 
 
 

    Коэффициент теплопередачи: 
 

    где R_загр – термическое сопротивление загрязнений, λ_ст – коэффициент теплопроводности металла труб (титан), Вт/м∙К.