Пример расчета подогревателя
Подобрать кожухотрубчатый теплообменник для нагревания 18000 кг/ч смеси с массовой долей этилацетата 38 % и толуола – 62 %, при атмосферном давлении от температуры 20 ºС до температуры 90 ºС. Греющая среда – на- сыщенный водяной пар с давлением 600 кПа. Потери теплоты в окружаю- щую среду примем в размере 5 % от полезной теплоты.
8.1.1.1. Схема аппарата приведена на рис. 8.1.
Рис. 8.1. Схема одноходового кожухотрубчатого подогревателя Нагреваемая смесь будет двигаться по трубному пространству тепло- обменного аппарата, а греющий пар по межтрубному пространству. Пар по- дается в теплообменный аппарат сверху, в процессе теплопередачи конден- сируется и снизу теплообменника отводится конденсат.
8.1.1.2. Средняя движущая сила процесса. Смесь этилацетат–толуол нагревается от 20 до 90 ºС. Насыщенный водяной пар с давлением 600 кПа будет иметь температуру 158,1 ºС и при этой температуре будет происходить его конденсация (рис. 8.2).
t 158,1 ºС
∆tб ∆tм 90 ºC
20 ºС
S (l)
Рис. 8.2. График изменения температур теплоносителей в подогревателе
138,1 ºС;
68,1 ºС;
tм 68,1 2,03.
значит, средняя движущая сила процесса будет
рассчитана как среднелогарифмическое.
68,1 tср ln138,1 68,1 99ºС.
8.1.1.3.
Qсм Qп.
Тепловая нагрузка в теплообменном аппарате:
rпар Gсм Cсм(tсм.к tсм.н) Qп.
rпар 1,05Gсм Cсм(tсм.к tсм.н). Удельная теплота конденсации пара с давлением 600 кПа составляет 2095 кДж/кг [16]. Удельная теплоемкость смеси при средней температуре потока равной tср 90 20
55 °С определяется по формуле:
Сэа хэа Стол(1 хэа),
где x эа – массовая доля этилацетата в смеси, Сэа , Стол – удельная теплоемкость этилацетата и толуола при средней температуре потока, Дж/(кг·К).
2095Дж/(кг·К), удельная теплоёмкость толуола при 55 °С составит
1759 ,8 Дж/(кг·К) [16].
2095 ,0 0,38 1759 ,8(1 0,38) 1887 ,2 Дж/(кг·К).
1,05 18000 1887,2 (90 20) 0,33кг/с.
20) 660520Вт.
8.1.1.4. Ориентировочная поверхность теплопередачи. Зададимся ори- ентировочным значением коэффициента теплопередачи от конденсирующе- гося водяного пара к органической жидкости Kор= 340 Вт/(м2·К).
660520 19,6 м2.
tср 99,0
8.1.1.5.
Плотность смеси при средней температуре потока определяется по формуле:
см хэа эа (1 хэа) , тол
где эа , тол – плотность этилацетата и толуола при средней температуре
кг/м3, плотность толуола при 55 °С составит тол 832 ,8 кг/м3[14].
(1 0,38) 841,9 кг/м3. 857,3 832,7
Вязкость смеси при средней температуре потока определяется по фор-
см ) xэа lg( эа ) (1 xэа )lg( тол ) ,
где xэа – молярная доля этилацетата в смеси,
тол – динамический коэффициент вязкости этилацетата и толуола
x эа ,
где М эа , М тол – молекулярная масса этилацетата и толуола, кг/кмоль.
Па·с, динамический коэффициент вязкости толуола при
тол 0,401 10 3 Па·с. Молекулярная масса этилацетата
= 88,1 кг/кмоль, молекулярная масса толуола М тол = 92,13 кг/кмоль
0,38 88 ,1 0,39 ;
88,1 (1 0,38) 92,13
см) 0,39lg(0,312 10 3) (1 0,39)lg(0,401 10 3) 3,439;
3,439 0,000364Па·с.
0,41 м/с. 0,021 841,9
41,8 42 шт. см dвн w 841,9 3,14 0,021 0,41
8.1.1.6. Подбор кожухотрубчатого теплообменного аппарата произ- водится по ориентировочной поверхности теплопередачи и рассчитанному числу труб в теплообменном аппарате. Выберем двухходовой теплообменный аппарат типа ТК (так как раз- ность температур между теплоносителями превышает 30 ºС) имеющий сле- дующие параметры [25]:
Диаметр кожуха 0,4 м; Число труб 100 шт.; Число труб на один ход 50 шт.; Поверхность теплообмена 24 м2; Длина труб 3 м; Число труб по вертикали 10 шт.
Рис. 8.3. Схема двухходового кожухотрубчатого подогревателя
8.1.1.7. Истинная скорость движения потока по трубам и режим движе- ния потока:
wист Gсм 2 18000
0,34 м/с;
841,9 3,14 0,021 50
Reист 0,34 0,021 841,9
16514 ,2 .
Режим движения потока по трубам турбулентный.
8.1.1.8. Схема теплопередачи через стенку представлена на рис. 8.4.
Рис. 8.4. Схема теплопередачи через стенки труб подогревателя
8.1.1.9. Расчёт коэффициента теплоотдачи со стороны пара. Коэф- фициент теплоотдачи для пара, конденсирующегося на наружной поверхно- сти пучка горизонтальных труб, рассчитывается по следующей формуле:
3 2 r g
нар
где – коэффициент, зависящий от числа труб по вертикали, 0,62;
– коэффициент теплопроводности конденсата при температуре кон- денсации, 0,6832 Вт/(м·К) [14]; – плотность конденсата при температуре конденсации, 908,9 кг/м3 [14];
r – удельная теплота конденсации пара, 2095000 Дж/кг [14];
стенки со стороны пара, (tконд tст1), ºС; dнар – наружный диаметр труб, м.
пара равной tст 1 130ºС, тогда коэффициент теплоотдачи от конденсирую- щегося пара к стенки составит:
пар 0,728 0,62 1 4 0,6832 908 ,9 2095000 9,81 6529,28Вт/(м2·К). 0,000176 (158,1 130 )0,025
8.1.1.10.
qпар пар(tконд tcт1) 6529,28(158,1 130) 183472,77 Вт/м2.
8.1.1.11.
tст1 qпар rст ,
rст – термические сопротивления стенки с учетом загрязнении.
rзагр1 rзагр2 ,
где rзагр1 – термические сопротивления загрязнений со стороны водяного пара, 5800 (м2·К)/Вт [14]; rзагр2 – термические сопротивления загрязнений со стороны потока
(м2·К)/Вт [14];
ст – теплопроводность материала стенки, для стали 46,5 Вт/(м·К) [14].
1 5800 1 5800 3,9 10
183472,77 3,9 10 4 58,4 ºС.
8.1.1.12.
где dвн – внутренний диаметр труб, м;
Коэффициент теплопроводности смеси при средней температуре пото- ка определяется по формуле:
хэа тол(1 хэа),
где x эа – массовая доля этилацетата в смеси;
тол – коэффициент теплопроводности этилацетата и толуола при
Коэффициент теплопроводности этилацетата при 55 °С составит
ставит тол 0,126 Вт/(м · К) [16].
0,38 0,126 (1 0,38) 0,129 Вт/(м·К).
Re0,8 Pr ,
где eL– коэффициент, учитывающий влияние длины трубы (канала) на ко- эффициент теплоотдачи, eL= 1; Pr – критерий Прандтля при средней температуре потока;
Pr Cсм см см 1887,2 0,000364
5,33.
Удельная теплоемкость этилацетата при 58,4 °С составит
1780,8 Дж/(кг·К) [16].
0,38 1780,8(1 0,38) 1916,12 Дж/(кг·К).
Вт/(м·К), коэффициент теплопроводности толуола при 58,4 °С составит ст тол 0,125 Вт/(м·К) [16].
0,38 0,125(1 0,38) 0,128 Вт/(м·К).
Па ·с, динамический коэффициент вязкости толуола при
ст тол 0,387 10 3 Па ·с [16].
0,39lg(0,302 10 3 ) (1 0,39)lg(0,387 10 3 ) 3,454;
0,000351 Па ·с. Prст 1916 ,12 0,000351
5,25 .
5,330,43 5,33 5,25 0,25 102,5 .
см 0,021
Вт/(м2·К).
8.1.1.13.
qсм см (tст2 tcp) 629,6 (58,4 55) 2140,64Вт/м2.
8.1.1.9
димся температурой стенки со стороны пара равной tст1 ºС, тогда ко- эффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенки составит:
пар 0,728 0,62 1 4 0,6832 908 ,9 2095000 9,81 8910 ,89 Вт/(м2·К). 0,000176 (158,1 150 )0,025
8.1.1.10
qпар пар(tконд tcт1) 8910,89(158,1 150) 72178,21 Вт/м2.
8.1.1.11
|