Здавалка
Главная | Обратная связь

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

 


 
 
 
 
tб 158,1 20


138,1


ºС;


 
 
 
 
tм 158,1 90


68,1


ºС;


 


 
tб 138,1

tм 68,1


2,03.


 

 


 
Отношение 2 ,


значит, средняя движущая сила процесса будет


 

рассчитана как среднелогарифмическое.

 


 
138,1


68,1


tср


ln138,1

68,1


99ºС.


 

8.1.1.3.

 
Тепловая нагрузка и расход греющего пара. Составим уравне- ние теплового баланса. Часть теплоты от пара переходит через стенку кожу- ха в окружающую среду.

 


 
Qпар


Qсм


Qп.


 

Тепловая нагрузка в теплообменном аппарате:

 

 
 
 
 
 
Q Qсм.

 


 
 
 
 
Gпар


rпар


Gсм


Cсм(tсм.к


tсм.н)


Qп.


 


 
Gпар


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

 
2


55 °С определяется по формуле:


 


 
Ссм


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).

 
Удельная теплоемкость этилацетата при 55 °С составит


 
Сэа


2095Дж/(кг·К), удельная теплоёмкость толуола при 55 °С составит


 
 
 
 
Стол


1759 ,8


Дж/(кг·К) [16].


 


 
Ссм


2095 ,0


0,38


1759 ,8(1


0,38)


1887 ,2


Дж/(кг·К).


 

 
Определим расход греющего пара:

 


 
 
 
 
Gпар


1,05 18000 1887,2 (90 20)


0,33кг/с.




 

 
Определим тепловую нагрузку теплообменного аппарата:

 


 
Q 180001887,2(90


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).


 
Тогда ориентировочная поверхность теплопередачи составит:

 


 
 
S Q


660520


19,6


м2.


 
ор Kор


tср



99,0


 

8.1.1.5.

 
Число труб на один ход в теплообменном аппарате. Зададимся критерием Рейнольдса, значение которого будет соответствовать турбулент- ному режиму движения теплоносителя по трубам диаметром 25×2 мм. И при этом значении критерия Рейнольдса определим скорость движения теплоно- сителя по трубам. Примем Re = 20000. Определим плотность и вязкость по- тока при его средней температуре.


Плотность смеси при средней температуре потока определяется по формуле:

 

 


 
1

см


хэа

эа


(1 хэа) ,

тол


 


где


эа ,


тол


– плотность этилацетата и толуола при средней температуре


 
 
 
потока, кг/м3.

 
 
Плотность этилацетата при 55 °С составит эа


 

 
857 ,3


 

кг/м3, плотность


толуола при 55 °С составит


тол


832 ,8


кг/м3[14].


 


 

 
см 0,38


(1 0,38)


841,9


кг/м3.


857,3


832,7


 


 

 
 
 
 
 
муле:


Вязкость смеси при средней температуре потока определяется по фор-


 


 
lg(


см )


xэа lg(


эа )


(1 xэа )lg(


тол ) ,


 


где


xэа


– молярная доля этилацетата в смеси,


 
эа ,


тол


– динамический коэффициент вязкости этилацетата и толуола


 
при средней температуре потока, Па·с.

 

 

x

эа ,

 

 


где


М эа , М тол


– молекулярная масса этилацетата и толуола, кг/кмоль.


 
Динамический коэффициент вязкости этилацетата при 55 °С составит

 
 
 
3


 
эа 0,312 10


Па·с, динамический коэффициент вязкости толуола при


 
55 °С составит


тол


0,401 10


3 Па·с. Молекулярная масса этилацетата


 
 
М эа

 
[16].


= 88,1 кг/кмоль, молекулярная масса толуола


М тол


= 92,13 кг/кмоль


 


 
xэа


0,38 88 ,1


0,39 ;


 
 
 
 
 
 
 
0,38


88,1


(1 0,38)


92,13


 


 
 
lg(


см)


0,39lg(0,312 10 3)


(1 0,39)lg(0,401 10 3)


3,439;


 


 
 
 
см 10


3,439


0,000364Па·с.


 

 
Тогда скорость потока в трубах составит:

 


 
 
w 20000 0,000364


0,41 м/с.


0,021


841,9


 

 
Число труб на один ход составит:

 


х
n Gсм



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

 
2


0,34 м/с;


 
см dвнnх

 
4



841,9 3,14


0,021 50


 


Reист


0,34 0,021 841,9

 
 
 
0,000364


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:

 


 

 
пар


 

 
0,728


3 2 r g

 
t 4 t d ,


нар

 

где – коэффициент, зависящий от числа труб по вертикали, 0,62;

 
t – поправочная функция, учитывающая физические свойства конден- сирующейся среды, для конденсирующегося водяного пара функция равна 1;

– 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];


 
g – ускорение свободного падения, 9,81 м/с2;

 
– динамический коэффициент вязкости конденсата при температуре конденсации, 176·10-6 Па·с [14];

 
t – разность между температурой конденсации пара и температурой


стенки со стороны пара,


(tконд tст1), ºС;


dнар – наружный диаметр труб, м.

 

 
Для дальнейшего расчета зададимся температурой стенки со стороны


пара равной


tст 1


130ºС, тогда коэффициент теплоотдачи от конденсирую-


щегося пара к стенки составит:

 

 
 
 
 
3 2


 

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.

 
 
 
 
Удельный тепловой поток со стороны пара:

 


qпар


пар(tконд


tcт1)


6529,28(158,1


130)


183472,77


Вт/м2.


 

8.1.1.11.

 
Температура стенки со стороны потока:

 


 
tст2


tст1


qпар


rст ,


 


 
 
где


rст


– термические сопротивления стенки с учетом загрязнении.


 

 


 
rст


rзагр1


rзагр2 ,


 

 


где


rзагр1 – термические сопротивления загрязнений со стороны водяного


пара, 5800


(м2·К)/Вт [14];


rзагр2


– термические сопротивления загрязнений со стороны потока


 
органической жидкости, 5800


(м2·К)/Вт [14];


 
ст– толщина стенки, м;

ст – теплопроводность материала стенки, для стали 46,5 Вт/(м·К) [14].


 


 
 
 
0,002

 
46,5


1 5800


1 5800


3,9 10


 
 
 
(м2·К)/Вт.


 


 
tст 2



183472,77


3,9 10 4


58,4


ºС.


 

8.1.1.12.

 
 
 
 
Расчёт коэффициента теплоотдачи от стенки к потоку. Так как изменения агрегатного состояния потока этилацетат–толуол не происхо- дит, коэффициент теплоотдачи будет рассчитываться через критериальное уравнение:

 

 

 
см ,

 

 


где


dвн


– внутренний диаметр труб, м;


 
см– коэффициент теплопроводности смеси при средней температуре потока, Вт/(м·К).

Коэффициент теплопроводности смеси при средней температуре пото-

ка определяется по формуле:

 


 
см эа


хэа


тол(1


хэа),


 

 


где


x эа


– массовая доля этилацетата в смеси;


 
эа ,


тол


– коэффициент теплопроводности этилацетата и толуола при


 
средней температуре потока, Вт/(м·К).

Коэффициент теплопроводности этилацетата при 55 °С составит

 
 
 
 
эа 0,134Вт/(м · К), коэффициент теплопроводности толуола при 55 °С со-


ставит


тол


0,126


Вт/(м · К) [16].


 


 
 
 
см 0,134


0,38


0,126 (1


0,38)


0,129


Вт/(м·К).


 

 
 
 
 
Критерий Нуссельта при развитом турбулентном течении в прямых трубах и каналах рассчитывается по следующей формуле:

 

 


 
Nu 0,021eL


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

 
0,129


5,33.


 

 
Для расчета критерия Прандтля при температуре потока равной темпе- ратуре стенки необходимо определить свойства потока при температуре стенки:

Удельная теплоемкость этилацетата при 58,4 °С составит

 
 
С
эа
ст 2136,9Дж/(кг·К), удельная теплоёмкость толуола при 58,4 °С составит


С
ст тол


1780,8


Дж/(кг·К) [16].


 


 
 
С
см
ст 2136,9


0,38


1780,8(1


0,38)


1916,12


Дж/(кг·К).


 

 
 
 
Коэффициент теплопроводности этилацетата при 58,4 °С составит


 
 
 
 
эа
ст 0,133


Вт/(м·К), коэффициент теплопроводности толуола при 58,4 °С


составит


ст тол


0,125


Вт/(м·К) [16].


 


 
 
 
см
ст 0,133


0,38


0,125(1


0,38)


0,128 Вт/(м·К).


 

 
 
 
 
Динамический коэффициент вязкости этилацетата при 58,4 °С составит

 
 
 
ст 3


 
 
 
эа 0,302 10


Па ·с, динамический коэффициент вязкости толуола при


 
58,4 °С составит


ст тол


0,387 10


3 Па ·с [16].


 
 
)
см
lg( ст


0,39lg(0,302 10 3 )


(1 0,39)lg(0,387 10 3 )


3,454;


 
 
 
 
 
 
ст 3,454

 
см


0,000351


Па ·с.


Prст


1916 ,12 0,000351

 
 
0,128


5,25 .


 
Тогда критерий Нуссельта:


 
 
 
 
 
 
 
 
Nu 0,021 1 16514,20,8


5,330,43


5,33

5,25


0,25


102,5 .


 


 
 
 
102 ,5 0,129

см 0,021


 

 
629 ,6


Вт/(м2·К).


 

8.1.1.13.

 
 
 
 
 
Удельный тепловой поток со смеси:

 


qсм


см (tст2


tcp)


629,6


(58,4


55)


2140,64Вт/м2.


 

 
qпарqсм, значит, температура стенки принята неверно. Необходимо задаться новой температурой стенки со стороны пара и повторить расчет за- ново по пп. 8.1.1.9-8.1.1.13.

 

8.1.1.9

 
´Расчёт коэффициента теплоотдачи со стороны пара. Зада-


димся температурой стенки со стороны пара равной


tст1



ºС, тогда ко-


эффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенки составит:

 

 
 
 
 
3 2


 

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

 
 
 
 
Удельный тепловой поток со стороны пара:

 


qпар


пар(tконд


tcт1)


8910,89(158,1


150)


72178,21 Вт/м2.


 

8.1.1.11

⇐ Предыдущая11121314151617181920Следующая ⇒





©2015 arhivinfo.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.