Выбор конструкционного материала теплообменника.

 

Выбираем конструкционный материал, стойкий в среде кипящего раствора хлорида натрия при концентрации 10 (5, стр. 309). В этих условиях химически стойкой является сталь марки Х28. Скорость коррозии её менее 1мм/год. Коэффициент теплопроводности l = 16,8 Вт/м*К (5, стр. 101).

 

Ориентировочный выбор теплообменника.

 

В качестве парожидкостных подогревателей наиболее рациональными являются многоходовые кожухотрубчатые теплообменники жесткой конструкции – тип ТН. Аппараты типа ТН выполняются с неподвижными трубными решетками. Расположение аппарата вертикальное. Для нормальной работы теплообменника в межтрубное пространство необходимо направить конденсирующийся пар, а в трубное пространство – исходный раствор.

Геометрические размеры трубок рекомендуется выбирать путём ориентировочной оценки требуемой поверхности теплообмена:

Fор = Q/KорDср.

 

Для оценки зададимся ожидаемым значением коэффициента теплопередачи Кор, ориентировочные пределы которого в промышленных теплообменных аппаратах указаны (7, стр.47) - Кор = 300 – 2500Вт/м²К. Пусть Кор = 1800Вт/м²К.

Fор = 6,06*10⁶/1800*56,8 = 59м².

Подбираем по (7, стр.51) теплообменник:

· Поверхность теплообмена 61 м²;

· Длина труб 4м;

· Диаметр труб d = 25*2;

· Число ходов z = 6;

· Общее число труб 196;

· Трубное пространство (3,14*(0,025-0,004)²)*206=0,271м². Т о., на один ход 0,271/6=0,045 м²

Расчёт коэффициента теплопередачи К.

 

К = {(К^1/3D_ср^1/3/А^4/3) + (d_стl_стa2}^-1

 

Расчёт коэффициента теплоотдачи от поверхности трубки к раствору a2.

Расчёт a2 производят по критериальным уравнениям.

Скорость течения раствора равна:

 

W = So*z/f_трr= 20000*6/3600*0,045*1072=0,711 м/с,

 

Где r = 1027 кг/м³ –плотность 10% хлористого натрия при температуре кипения (4, стр. 56);

n =0,339*10^-6м²/с - вязкость 10% хлористого натрия при температуре кипения (4, стр. 58).

При этой скорости имеем:

 

Re = Wd/n = 0,711*0,021/0,339*10^-6 = 4,4*10⁴

 

Т. о., попадаем в развитую турбулентную область.

 

Nu2=0,021Re^0,8 Pr^-0,43 (Pr / Pr _ст)^0,25e_l

 

Критерий Прандтля – характеризует отношение вязкостных и температуропроводных свойств теплоносителя – конденсирующегося водяного пара Pr = n/а = 0,339*10^-6 / 16,9*10^-8=2,01 при температуре кипения 10% хлористого натрия (3, стр. 537), где а – коэффициент теплопроводности (4, стр. 64).

Для нагревающихся жидкостей можно принимать (Pr / Pr _ст)^0,25=1, допуская небольшую погрешность в сторону уменьшения коэффициента теплоотдачи, т. е. в сторону запаса.

Воспользовавшись номограммой для определения критерия Nu2 (3, стр. 536)

Nu2= 140.

Тогда a2= Nu2l_воды/d = 140*0,633/0,021 = 4220 Вт/К*м²,

Где l_воды= 0,633 Вт/м*К - теплопроводность 10% NaCl при температуре кипения (4, стр. 61).

 

Расчёт коэффициента А.

 

А=0,94(l3r2rg/mH)^1/4

 

При температуре Т=127⁰С l = 68,6*10-2 Вт/мК

r = 935 кг/м3  (3, стр. 512)

m = 212*10-6Па*с

r = 2194 кДж/кг (3, стр. 524)

Н = 4м

Тогда А = 8647,8

 

Расчёт коэффициента теплопередачи К.

 

К = {(К^1/3D_ср^1/3/А^4/3) + (d_стl_стa2}^-1

 

D_ср= 82,7⁰C;

d_ст= 2мм = 0.002м – толщина стенок нагревательных труб;

l_ст= 16,8 Вт/м*К – теплопроводность материала стенки;

a2 = 4220 Вт/К*м²- коэффициент теплоотдачи от поверхности трубки к раствору;

А= 8647,8;

a2= 4220 Вт/м².

Воспользуемся итерационным расчётом:

 

К(d_стl_ст a2) = 1- (К/А)^4/3 *D_ср^1/3

 

Пусть y_л = К(d_стl_ст a2)

 

Y_п = К(d_стl_ст a2)

 

Построим оба графика в одной системе координат, пересечение этих графиков дает истинное значение К.

 

К	Yл	Yп
2100	0,748	0,968
2200	0,783	0,962
2300	0,819	0,954
2400	0,854	0,945
2500	0,890	0,936
2600	0,926	0,925
2700	0,961	0,913
2800	0,997	0,899
2900	1,032	0,884
3000	1,068	0,867

 

Из графиков видно, что К = 2600 Вт/(м²*К).

Реальное значение коэффициента теплопередачи в работающем теплообменнике всегда меньше рассчитанного из-за дополнительных термических сопротивлений загрязнений стенок r_загр с обеих сторон. При этом общее термическое сопротивление в реальном теплообменнике:

 

(1/К)_реал = (1/К)_расч + r_загр.1 + r_загр.2

 

Значение термических сопротивлений загрязнений стенок r_загр взяты из (3, стр. 506):

 

r_загр.1= 1,7*10^-4м²*К/Вт - для водяного пара, r_загр.2=1,7*10^-4м²*К/Вт - для кипящего исходного раствора.

 

(1/К)_реал= 1/2600 + 1,7*10^-4+1,7*10^-4 = 7,2*10^-4м²*К/Вт

 

Тогда К_реал=1380 Вт/(м²*К).

Расчёт поверхности теплообмена.

 

Fор = Q/KорDср = 6,06*10⁶/1380*56,8 = 77м².

 

Подбор теплообменника по каталогу.

 

Подбираем по (7, стр.51) теплообменник:

· Поверхность теплообмена 79 м²;

· Длина труб 4м;

· Диаметр труб d = 20*2;

· Число ходов z = 6;

· Общее число труб 316.