Для турбулентного  режима З = ((77,6 – 4,9) / 4,9)  =  15 % удовлетворяет условию 10% ≤ З ≤ 40%.

     Окончательный выбор теплообменного аппарата.

Удельная  тепловая нагрузка (q), Вт/м²:

q = KDt_ср, = 415 (м²·К)/Вт · 64,4ºС = 26726 Вт/м²,

где K – соответственно значения K_т

     Далее строится схема теплопередачи с  использованием уточненных значений температур:

Dt₁ = q/α₁ = 26726 Вт/м² / 415 Вт/(м²·К) = 64,4 ºС;

t_ст.1 = 108,7 ºС – Dt₁ = 108,7ºС – 64,4 ºС = 44,3 ºС;

Dt₂ = q/α₂ =  26726 Вт/м² / 497 = 53,8 ºС;

t_ст.2 = t₂ + Dt_2, = 44,3 ºС + 53,8 ºС = 98,1 ºС.

где α₁ и α₂ – соответственно значения α_1,т и α_2,т

На схему  наносятся значения t_ст.1, t_ст.2, a₁, a₂, q. 
 
 
 
 
 
 
 
 

     3.3 Ход выполнения расчетов при ламинарном режиме течения жидкости в трубном пространстве.

     Условием  ламинарного режима течения жидкости является: Re < 2300.

     Для соблюдения этого режима максимальная допустимая скорость перемещения жидкости в трубах (w_2,л), м/с составляет:

     где μ₂ – динамический коэффициент вязкости жидкости, Па·с при температуре t₂ [1(с. 516, табл. IX)]; ρ₂ – плотность жидкости, кг/м³ при температуре t₂ [1(с. 512, табл. IV)]; d₂ – внутренний диаметр труб, м. Для расчетов можно выбрать трубы диаметром 25×2 мм. Тогда внутренний диаметр труб равен: d₂ = 25 – 2 · 2 = 21 мм.

w_2,л = 2300 · 1,33 · 10ˉ³Па·с / 0,021м · 768 кг/м³ = 0,19 м/с

     Число труб на один ход теплообменника:

= 195 (по табл.1);

     Теплообменный аппарат также выбирается из табл. 4.12, [1, с. 215] (см. также табл. XXXIV [1, с. 533]), однако в данном случае следует руководствоваться следующими неравенствами: n_л > 195 шт. и F_л < 164 м².

     На  основании этих условий выбиран одноходовой теплообменный аппарат (z_л  = 1) с внутренним диаметром кожуха D_л = 600 мм, числом труб на один ход n_л = 261, длиной труб L_л = 4,0 м и площадью поверхности теплообмена F_л = 81 м². 

     Уточненная  величина критерия Рейнольдса:

Re_2,л = 2300 (

/ ),

Re_2,л = 2300 (195/261) = 1718;

     Для расчета ориентировочного значения произведения критериев Грасгофа и  Прандтля (Gr₂Pr_2,л) необходимо определить разность Δt₂:

     Поскольку величина t_ст.2 будет определяться только в конце расчета и α_1,л >> α_2,л можно ориентировочно принять:

• разность температур Dt₂ = 0,75Dt_ср = 0,75· 64,4ºС = 48,3ºС;
• определяющую температуру t = t₂ + (Δt₂/2)= 44,3ºС+(48,3ºС/2)=68,5 ºС;
• температуру стенки со стороны жидкости t_ст.2 = t₂ + Dt₂ = 44,3 ºС + 48,3 ºС = 92,6 ºС;

     Ориентировочное значение (Gr₂Pr_2,л) при определяющей температуре (t) для данной жидкости:

где β₂ – коэффициент объемного расширения органической жидкости, К^–1 при температуре t [1(c.532, табл. XXXIII)]; g = 9,81 м/с² – ускорение свободного падения; Pr_2,л – критерий Прандтля,

        = 306 · 0,8·10ˉ³ Па·с/ 0,14 = 1,7; 

     Gr₂Pr_2,л  = ( ( 0,021³ м · 752² кг/м³ · 48,3 ºС · 9,81 м/с² ) / 1,12 · 10ˉ³ Па·с ) · 1,7 =  7,3·10^7 

     Расчет  критерия Нуссельта (Nu_2,л) проводится при выбранном значении L_л по формуле

где Pe₂ = Re_2,лPr_2,л – критерий Пекле; m_ст.2 – динамический коэффициент вязкости жидкости, Па·с при t_ст.2.

Nu_2,л = 0,8 · (1718 · 1,7 · 0,021/4)^0,4 · (7,3·10^7)^0,1 ·( 0,8 · 10ˉ³ / 0,52 · 10ˉ³ )^0,14 = 12,3 ; 

     Тогда коэффициент теплоотдачи (α_2,л), Вт/(м²·К) для жидкости:

                             α_2,л = 12,3 · 0,130 · 1,163 Вт/(м·К) / 0,021 = 89 Вт/(м²·К);

     Для определения величины коэффициента теплоотдачи (α_1,л), Вт/(м²·К):

α_1,л = 79500 Вт/(м²·К) · ((261 шт · 4м)/(32,7 шт · 6 · 6м))⅓ = 23585 Вт/(м²·К); 

     Коэффициент теплопередачи (K_л), Вт/(м²·К) рассчитывается аналогично K_т при 1/Σr_ст = 2580 Вт/(м²·К),

     K_л = 1 / ( (1/23585) + (1/2580) + (1/89) ) = 86 Вт/(м²·К);

       Определение запаса площади поверхности теплообмена.

     Расчетная площадь поверхности теплообмена (F_р), м²:

где K – соответственно значения K_л.

                   F_р = 130000Вт / 86 Вт/(м²·К) · 64,4ºС = 24 м²

     Примечание: Расчетным диаметром при определении поверхности труб принимаем d₂, так как α_1,л >> α_2,л.

     Площадь поверхности теплообмена (F), м²:

F = pd₂(nz)L,

         F = 3,14 · 0,021 м · (261 шт · 1) · 4 м = 69 м²; 

     Запас площади поверхности теплообмена (З), %:

З = (69 – 24) / 24 = - 70 % не удовлетворяет  условию 10% ≤ З ≤ 40%.

     Площадь теплообмена не достаточна, так как  нет запаса, тогда рассмотрим тот же теплообменник, но с длиной труб 2,0 м:

α_1,л = 79500 · ((261 шт · 2 м)/(32,7 шт · 6 · 6м))⅓ = 11660 Вт/(м²·К);

Nu_2,л = 0,8 · (1718 · 1,7 · 0,021/2)^0,4 · (7,3·10^7)^0,1 ·( 0,8 · 10ˉ³ / 0,52 · 10ˉ³ )^0,14 = 16,2

α_2,л = 16,2 · 0,130 · 1,163 Вт/(м·К) / 0,021 = 117 Вт/(м²·К);

К = 110;

F_р = 130000Вт / 110 Вт/(м²·К) · 64,4ºС = 18,4 м²;

F = 3,14 · 0,021 м · 522 шт  = 34,4 м²

не удовлетворяет  условию, площадь теплообмена не достаточна. 

     Поверхностная площадь теплового потока (удельная теплового нагрузка)

     q = KDt_ср = 110· 64,4 = 7084 Вт/м², где K – соответственно значения K_л.

Расчетная площадь поверхности теплообмена  при длине трубы 2,0 м:

F = Q/q = 130000 / 7084 = 18,4 м²;

     Запас площади поверхности теплообмена (З), %:

З = (69 – 18,4)/18,4 = 27,5%  - удовлетворяет.

     Далее строится схема теплопередачи с  использованием уточненных значений температур:

Dt₁ = q/α₁ = 7084 / 11660 = 0,61ºС; 

                                         t_ст.1 = 108,7 ºС – Dt₁ = 107,5 ºС;

     Dt₂ = q/α₂ = 7084 / 117 = 60,5 ºС;

     t_ст.2 = t₂ + Dt₂ = 104,8 ºС;

где α₁ и α₂ – соответственно значения α_1,т и α_2,т или α_1,л и α_2,л. На схему наносятся значения t_ст.1, t_ст.2, a₁, a₂, q.

ПРИЛОЖЕНИЕ 4

(справочное) 

Таблица П.1

Некоторые промежуточные результаты расчетов

 

     ЗАКЛЮЧЕНИЕ 

     В ходе выполнения курсовой работы были получены навыки применения теоретических  знаний при решении теплотехнических задач. По расчёту теплообменных аппаратов, а также закрепил знания по основным разделам курса «Тепломассообмен».

     В данной курсовой работе был произведён тепловой конструктивный расчёт кожухотрубчатого теплообменника. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
Библиографический список

1.Барабаш В. М., Садчиков И. А., Смирнов Н. Н. Выбор инженерного оформления процессов химической технологии. СПб.: СПбГИЭУ, 2005. 85 с.

2.Павлов  К. Ф., Романков П. Г., Носков А. А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии / Под ред. П. Г. Романкова. 10-е изд., перераб. и доп. Л.: Химия, 1987. 576 с.

3.Смирнов Н. Н., Барабаш В. М., Карпов К. А. Альбом типовой химической аппаратуры (принципиальные схемы аппаратов) / Под ред. Н. Н. Смирнова. 2-е изд., испр. СПб.: Химиздат, 2006. 80 с.