w2 = = 0,0970 м/с.
Определим критерий Рейнольдса для горячего и холодного потоков соответственно:
Re1 = = 8418,41 (переходный режим),
Re2 = = 8541,15 (переходный режим).
При расчете коэффициентов теплопроводности потоков имеет место значение критерия Прандтля (Pri), определяемый выражением:
Pri = (13)
лi—коэффициент теплопроводности (из справочных материалов [1]), Вт/м∙К.
Определим этот критерий для обоих потоков:
Pr1 = = 3,63;
Pr2 = = 3,40.
Коэффициент теплопроводности потока для трубного пространства (бтр) при переходном режиме движения потока (1000<Rei<10000) определяется формулой:
бтр = ∙ 0,008 ∙ Rei0,9 ∙ Pri0,43 ∙ 0,25 . (14)
Выражение 0,25 как правило равно 1, поэтому обычно оно не учитывается.
Найдем значение коэффициента теплопроводности для трубного пространства:
бтр = ∙ 0,008 ∙ 8418,410,8 ∙ 3,630,43 = 415,59.
Коэффициент теплопроводности потока для межтрубного пространства (бмтр) при Rei > 1000 определяется формулой:
бмтр = ∙ 0,4 ∙ Rei0,6 ∙ Pri0,36 ∙ 0,25 ∙ 0,85. (15)
Определяем значение коэффициента (выражение 0,25 также принимаем равным 1):
бмтр = ∙ 0,4 ∙ 8541,150,6 ∙ 3,400,36 ∙ 0,85 = 663,69.
Определяем сумму коэффициентов загрязнения на стенках трубопроводов У[1], для данного процесса У = 0,0008 м2∙ОС/Вт.
Теперь можно определить уточненное значение коэффициента теплопередачи (Kу):
Ку = = 212,18.
Зная уточненное значение коэффициента теплопередачи, определяем уточненное значение площади поверхности теплообмена (Fу):
Fу = , м2, (16)
Fу = = 404 м2.
Теперь можем определить запас поверхности (Zp) теплообмена, тем самым узнать, подходит ли нам выбранный теплообменник:
Zp = ∙ 100, %, (17)
Zp = ∙ 100 = 9,03 %.
Подходящим принято считать теплообменник, имеющий запас поверхности 15—30 % [2]. Полученный запас поверхности 9,03 % недостаточен. Поэтому следует выбрать из каталога стандартных теплообменников другой теплообменник, больший по площади, и провести аналогичный расчет.
В качестве принимаемого значения коэффициента теплопередачи берем значение 212,18, т.е. уточненное значение из предыдущего расчета. Определено расчетное значение площади теплообмена:
F = , м2,
Fу = = 404 м2.
По этому значению из каталога стандартных теплообменников выбран кожухотрубчатый теплообменник, имеющий следующие параметры и их значения:
– площадь поверхности теплообмена – F = 416 м2;
– длина труб – L = 9 м;
– диаметр кожуха – Dк = 0,8 м;
– наружный диаметр труб – dн = 0,020 м;
– число ходов – z = 1;
– внутренний диаметр труб – dвн = 0,016 м;
– количество труб – n = 736.
Рассчитан уточненный коэффициент теплопередачи, Ку=284,02; запас поверхности составил 27,46 %. Это удовлетворяющий запас поверхности. Поэтому, для варианта подачи теплоносителей "горячий поток в трубное пространство, холодный поток в межтрубное пространство", наиболее удовлетворителен последний теплообменник. Расчет представлен в приложении А.
Для другого варианта подачи теплоносителей "холодный поток в трубное пространство, горячий поток в межтрубное пространство" проведен аналогичный расчет. В качестве принимаемого значения коэффициента теплопередачи взято значение 212,18, т.е. уточненное значение из первого расчета. Определено расчетное значение площади теплообмена:
F = , м2,
Fу = = 404 м2.
Из каталога теплообменников выбран стандартный кожухотрубчатый теплообменник, удовлетворяющий нашим условиям, имеющий следующие параметры и их значения:
– площадь поверхности теплообмена – F = 416 м2;
– длина труб – L = 9 м;
– диаметр кожуха – Dк = 0,8 м;
– наружный диаметр труб – dн = 0,020 м;
– число ходов – z = 1;
– внутренний диаметр труб – dвн = 0,016 м;
– количество труб – n = 736.
Рассчитан уточненный коэффициент теплопередачи, Ку=292,92; запас поверхности составил 29 %. Этот теплообменник удовлетворяет рекомендуемому запасу поверхности. Расчет представлен в приложении Б.
Мы видим, что для обоих вариантов подачи теплоносителей в теплообменник, оптимальным выбран один и тот же стандартный теплообменник, а запас поверхности отличается совсем незначительно. Поэтому, исходя из технологических соображений, для уменьшения тепловых потерь, окончательно оптимальным принимаем вариант подачи горячего теплоносителя в трубное пространство, а холодного теплоносителя в межтрубное пространство. И для выбранного теплообменника ведется дальнейший расчет экономических параметров.
Определим стоимость теплообменника (Стто):
Стто = (6 + 0,075 ∙ F) ∙ 103 , Ј, (18)
Стто = (6 + 0,075 ∙ 416) ∙ 103 = 37200 Ј.
Следует заметить, что теплообменник работает под определенным давлением, зависящим от состава и температуры потоков. Поэтому рассчитанную стоимость необходимо домножить на так называемый "Фактор удорожания" (Fудор), учитывающий давление в аппарате.
Определим максимально возможное давления в теплообменнике. Для этого используем уравнение Антуана:
Pi = , МПа, (19)
где:
Аi, Вi, Сi — значения коэффициентов уравнения Антуана для i-го вещества [1],
Ti — температура i-го вещества, К.
Через теплообменник проходят два потока, две органические жидкости: ацетон и дивинил. Давление для первого потока, ацетона:
Pацетон = = 0,222 МПа.
Давление для второго потока, дивинила:
Pдивинил = =0,557 МПа.
Из справочного материала для большего давления определяем значение фактора удорожания Fудор, оно составит 2,0.
Далее определяется стоимость аппарата с учетом фактора удорожания (Стто Fудор):
Стто Fудор = Стто ∙ Fудор А , Ј, (20)
Стто Fудор = 37200 ∙ 2,0 = 74400 Ј.
Однако, полученная стоимость теплообменника не является окончательной. Окончательная стоимость определяется с учетом так называемого "Фактора инсталляции", состоящего из ряда подфакторов, учитывающих дополнительные затраты, связанные с установкой (монтажом) аппарата, прокладки трубопроводов, приборов контроля и автоматики, электропитания, расходами на гражданское и специальное строительство, изоляцией оборудования.
Общий фактор инсталляции Fинст определяется по формуле:
Fинст = 1 + fуст + fтруб + fинстр + fэлектр + fстроит + fзданий + fизол , (21)
где:
fуст – подфактор, учитывающий дополнительные затраты при установке оборудования;
fтруб – подфактор, учитывающий дополнительные затраты при прокладке трубопроводов;
fинстр – подфактор, учитывающий дополнительные затраты на средства контроля и автоматики;
fэлектр – подфактор, учитывающий дополнительные затраты на проводку электроэнергии;
fстроит, fзданий – подфакторы, учитывающий дополнительные затраты на гражданское и специальное строительство;
fизол – подфактор, учитывающий дополнительные затраты на изоляцию оборудования;
Инсталляционные подфакторы определяются по справочным данным в зависимости от стоимости оборудования, рассчитанной с учетом фактора удорожания. Определим инсталляционные подфакторы.
Принимаем к установке оборудование, требующее ряд технологических работ по месту установки. Этому соответствует инсталляционный подфактор fуст = 0,10.
Для нашего оборудования нам необходимы средние технические и сервисные трубопроводы, чему соответствует инсталляционный подфактор fтр = 0,26.
В теплообменнике протекает процесс, в котором необходимо контролировать и регулировать заданные значения конкретных параметров. Для этого необходима автоматизация процесса. Предполагается установка приборов контроля и одного микроконтроллера для управления процессом. Имеет место подфактор fинст = 0,13.
Подфактор, учитывающий электроэнергию, инсталляционный подфактор fэлектр = 0,03., т.к. предполагается только освещение и малое потребление электроэнергии системой управления, что ничтожно мало по сравнению с освещением.
Необходимы средние строительные штатные работы (фундамент, 1-й этаж, этажерки и службы), инсталляционный подфактор fстроит = 0,10. Оборудование предполагается разместить под крышей типа ангара, инсталляционный подфактор fзданий = 0,29.
Поскольку теплообменник является термооборудованием, поэтому для снижения потерь предполагается защитная изоляция уровня выше среднего, инсталляционный подфактор fизол = 0,06.
Fинст = 1 + 0,1 + 0,26 + 0,13 + 0,03 + 0,1 + 0,29 + 0,06 = 1,97.
Теперь можно определить полную (окончательную) стоимость теплообменника, т.е. стоимость, рассчитанную с учетом фактора инсталляции (Стто полная):
Стто полная = Стто Fудор ∙ Fинст , Ј, (22)
Стто полная = 74400 ∙ 1,97 = 146568 Ј.
В результате проведенной расчетно–аналитической работы из ряда типовых теплообменников выбран оптимальный с точки зрения эффективности теплопередачи теплообменник, удовлетворяющий поставленным условиям, имеющий следующие параметры и их значения:
– площадь поверхности теплообмена – F = 416 м2;
– длина труб – L = 9 м;
– диаметр кожуха – Dк = 0,8 м;
– наружный диаметр труб – dн = 0,020 м;
– число ходов – z = 1;
– внутренний диаметр труб – dвн = 0,016 м;
– количество труб – n = 736.
Коэффициент теплопередачи равен 284,02; запас поверхности составил 27,46 %. Стоимость теплообменника с учетом факторов удорожания и инсталляции составила 146568 Ј.
1.Холодов «Математическое моделирование и оптимизация химико-технологических процессов» Издательство: ООО "Издательский дом "Профессионал", 2003 г. 480 стр.