Здавалка
Главная | Обратная связь

Пример расчета конденсатора



Подобрать кожухотрубчатый теплообменник для конденсации 45000 кг/ч насыщенного пара смеси с массовой долей дихлорэтана 95 % и толуола – 5 % при атмосферном давлении. Охлаждающая среда – промыш- ленная вода среднего качества с начальной температурой 20 ºС и конечной температурой 40 ºС Потери теплоты в окружающую среду примем в размере 5 % от полезной теплоты.

 

8.1.2.1. Схема аппарата приведена на рис. 8.6.

 

Рис. 8.6. Схема одноходового кожухотрубчатого конденсатора


Вода, нагреваясь, будет двигаться по трубному пространству теплооб- менного аппарата, а пар смеси дихлорэтан–толуол по межтрубному про- странству. Пар подается в теплообменный аппарат сверху, в процессе тепло- передачи конденсируется и снизу теплообменника отводится конденсат.

 

8.1.2.2. Средняя движущая сила процесса. Вода нагревается от 20 ºС до 40 ºС. Насыщенный пар смеси, дихлорэтан – толуола с давлением 100 кПа будет иметь температуру 85,0 ºС и при этой температуре будет происходить его конденсация.

 

t 85 ºС

 


 

 

tб


tм 40 ºC


 

 


20 ºС


 

S (l)


Рис. 8.7. График изменения температур теплоносителя в конденсаторе

 


 
 
 
tб 85 20

 
 
 
tм 85 40


65ºС;

 
 
45ºС;


 

 
1,44.

 

 


 

Отношение


tб

,

tм


 

значит, средняя движущая сила процесса будет


рассчитана как среднеарифметическое.

 


 
tср


65 45

 
 
 
2


55 ºС.


 

8.1.2.3.

 
Тепловая нагрузка и расход греющего пара. Составим уравнение теплового баланса. Часть тепла от пара переходит через стенку кожуха в ок- ружающую среду.

 


 
Qпар


Q вода


Q п.


 

Тепловая нагрузка в теплообменном аппарате:


 

 
 
 
 
 
Q Qвода .

 


 
 
 
 
 
Gпар


rвода


Gвода


Cвода(tвод.к


tвод.н)


Qп.


 


 
Gпар


rпар


1,05Gвода


Cвода


(tвод.к


tвод.н).


 

 
Удельная теплота конденсации пара смеси органических веществ опре- деляется по формуле:

 


 
rпар


rдхэ


хдхэ


rтол(1


хдхэ ) ,


 

 


где


xдхэ


– массовая доля дихлорэтана в паре;


rдхэ , rтол


– удельная теплота конденсации дихлорэтана и толуола при


температуре конденсации, Дж/кг.

 
Удельная теплота конденсации дихлорэтана при 85 °С составит


 
rдхэ



Дж/кг, удельная теплота конденсации толуола при 85 °С соста-


 
 
 
 
вит


rтол



Дж/кг [16].


 


 
rпар



0,95


376240(1


0,95)


327235,2


Дж/кг.


 


Qпар


45000 327235,2

 
 
3600


4090440Вт.


 

 
Определим тепловую нагрузку теплообменного аппарата:

 

 


 
Q Qвода


3895657 ,1 Вт.


 

 
 
 
Определим расход воды в конденсаторе. Для этого сначала определим удельную теплоемкость воды при средней температуре потока равной


tср


40 20

 
2


30 °С.


 
Удельная теплоемкость воды при средней температуре потока равна


Свода



Дж/(кг·К) [14].


 
Тогда расход воды составит:

 


 
 
G Q


3895657,1


46,6


 

кг/с.


 
вода


Cвода(tвод.к


tвод.н)


4180(40


20)


 

8.1.2.4.

 
Ориентировочная поверхность теплопередачи. Зададимся ори- ентировочным значением коэффициента теплопередачи от конденсирующе-


гося пара органических веществ к воде


Kор= 800 Вт/(м2·К).


 
Тогда ориентировочная поверхность теплопередачи составит:

 


 
 
S Q


3895657,1


88,5


м2.


 
ор Kор


tср



55,0


 

8.1.2.5.

 
 
 
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 = 25000. Определим плотность и вязкость воды при средней температуре потока.


Плотность воды при 30 °С составит


вода



кг/м3[14].


 
Динамический коэффициент вязкости воды при 30 °С составит

 
 
 
3


вода


0,804 10


Па ·с [14].


 

Тогда скорость потока в трубах составит:

 


 
 
 
 
 
w Re вода


25000 0,000804


 

 
 
0,96


 

м/с.


dвн


вода


0,021 996


 

Число труб на один ход составит:

 


n
Gвода

 
х 2


46,6


140,8


141 шт.


вода


dвн w


9963,14 0,021 0,96


 

8.1.2.6. Подбор кожухотрубчатого теплообменного аппарата произ- водится по ориентировочной поверхности теплопередачи и рассчитанному числу труб в теплообменном аппарате.

Выберем четырехходовой теплообменный аппарат типа ТК (так как разность температур между теплоносителями превышает 30 ºС) имеющий следующие параметры [25] (рис. 8.8):

 

Диаметр кожуха 0,8 м; Число труб 404 шт.;

Число труб на один ход 101 шт.; Поверхность теплообмена 95 м2; Длина труб 3 м;

Число труб по вертикали 20 шт.


 

 

Рис. 8.8. Схема четырехходового кожухотрубчатого конденсатора

 

8.1.2.7. Истинная скорость движения потока по трубам и режим движения потока:

 


wист


Gвода

2


46,6


 

1,34


 

м/с;


 

вода


dвн nх

 
4


9963,14 0,021 101


 


Reист


1,34 0,021 996

 
 
 
0,000804


34860 .


 

Режим движения потока по трубам турбулентный.

 

8.1.2.8. Схема теплопередачи через стенку представлена на рис. 8.9.

 

 

 

Рис. 8.9. Схема теплопередачи через стенки труб конденсатора

8.1.2.9. 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, 0,58;

t – поправочная функция, учитывающая физические свойства конден- сирующейся среды;

– коэффициент теплопроводности конденсата дихлорэтан-толуол

 
при температуре конденсации, Вт/(м·К);

– плотность конденсата дихлорэтан-толуол при температуре конден- сации, кг/м3;

r – удельная теплота конденсации пара дихлорэтан–толуол, 201307 Дж/кг;

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

 
– динамический коэффициент вязкости конденсата дихлорэтан- толуол при температуре конденсации, Па·с;

 
t – разность между температурой конденсации пара и температурой


стенки со стороны пара,


(tконд tст1), ºС;


dнар – наружный диаметр труб, м.

Коэффициент теплопроводности конденсата дихлорэтан–толуол при температуре конденсации равной 85 °С определяется по формуле:

 


 
см дхэ


хдхэ


тол(1


хдхэ ) ,


 


где


дхэ ,


тол


– коэффициент теплопроводности дихлорэтана и толуола


 
 
при температуре конденсации пара, Вт/(м·К).

 
Коэффициент теплопроводности дихлорэтана при 85 °С составит


 
 
 
дхэ


0,120Вт/(м·К), коэффициент теплопроводности толуола при 85 °С со-


ставит


тол


0,119


Вт/(м·К) [16].


 


 
 
 
см 0,120


0,95


0,119 (1


0,95)


0,120


Вт/(м · К).


 

 
 
 
Плотность смеси при температуре конденсации пара определяется по формуле:

 

 

 

,


 


где


дхэ ,


тол


– плотность дихлорэтана и толуола при температуре конден-


 
 
сации пара, кг/м3.

 
 
Плотность дихлорэтана при 85 °С составит


 

 
дхэ


 

 
1155 ,5


 

кг/м3, плот-


ность толуола при 85 °С составит


тол



кг/м3[16].


 


 

 
см 0,95

1155,5


(1 0,95)


1130,7


кг/м3.


 

 
 
 
 
 
Вязкость смеси при температуре конденсации пара определяется по формуле:

 


 
lg(


см )


xдхэ lg(


дхэ )


(1 xдхэ)lg(


тол ) ,


 


где


xдхэ


– молярная доля дихлорэтана в смеси;


 
дхэ ,


тол


– динамический коэффициент вязкости дихлорэтана и толуо-


 
 
 
ла при температуре конденсации пара, Па·с.

 

 


xдхэ


x дхэ


М дхэ


0,95 98 ,96


0,946 .


x дхэ


М дхэ


(1 x дхэ)


М тол


0,95


98,96


(1 0,95)


92,13


 

 
 
 
 
Динамический коэффициент вязкости дихлорэтана при 85 °С составит

 
 
 
3


 
 
 
дхэ


0,405 10


Па·с, динамический коэффициент вязкости толуола при


85 °С составит


 

 
 
 
 
 
 
 
 
тол


0,307 10


3 Па·с [16].


 


 
lg(


см)


0,946lg(0,405 10 3)


(1 0,946) lg(0,307 10 3)


3,399;


 


 
 
 
см 10


3,399


0,000399Па·с.


 

 
 
 
Для дальнейшего расчета зададимся температурой стенки со стороны


пара


tст 1


80ºС и определим коэффициент t по следующей формуле:


 


 

ст

 
см

t

см


 
см

 
ст см


1/ 8

 

,


 

 


 
см
где ст


– коэффициент теплопроводности конденсата при температуре


ст
равной температуре стенки, Вт/(м·К);

 
см– динамический коэффициент вязкости конденсата при температуре равной температуре стенки, Па·с.

 
Коэффициент теплопроводности дихлорэтана при 80 °С составит


 
 
ст дхэ


0,121 Вт/(м·К), коэффициент теплопроводности толуола при 80 °С со-


 
ставит


ст тол


0,120 Вт/(м·К) [16].


 


 
 
 
см
ст 0,121 0,95


0,120(1


0,95)


0,121 Вт/(м·К).


 

 
 
 
Динамический коэффициент вязкости дихлорэтана при 80 °С составит

 
 
 
ст 3


 
 
 
дхэ


0,420 10


Па·с, динамический коэффициент вязкости толуола при


 
80 °С составит


ст тол


0,319 10


3 Па·с [16].


 
 
)
см
lg( ст


0,946lg(0,420 10 3)


(1 0,946)lg(0,319 10 3)


3,383;


 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ст 3,383

см


0,000414Па ·с.


Тогда:


 
0,121

t 0,120


3 0,000399

 
 
0,000414


1/ 8


0,998.


 
 
 
 
 
3 2


пар


0,728


0,58


0,998


4 0,120 1130 ,7 327235 ,2 9,81


1455 ,16


Вт/(м2·К).


0,000399 (85


80)0,025


8.1.2.10.

 
 
 
 
Удельный тепловой поток со стороны пара:


qпар


пар(tконд


tcт1)


1455,16(85


80)


7275,8 Вт/м2.


8.1.2.11. Температура стенки со стороны потока. Термические сопро- тивления загрязнений со стороны органического пара составит


1


(м2·К)/Вт [14]. Термические сопротивления загрязнений со стороны


1

потока воды среднего качества составит 2900


(м2·К)/Вт [14].


Тогда сумма термических сопротивлений стенки с учетом загрязнений


 
 
 
 
составит:

 


 
rст


ст rзагр1 ст


rзагр2


0,002

 
 
46,5


1 11600


1 2900


4,7 10


 
(м2·К)/Вт.


 

 


 
tст 2


tст1


qпар


rст


 

 
 
80 7275,8


4,7 10 4


 

 
 
76,6 ºС.


 

8.1.2.12.

 
 
 
 
Расчёт коэффициента теплоотдачи от стенки к потоку во- ды. Так как изменения агрегатного состояния потока воды не происходит, коэффициент теплоотдачи будет рассчитываться через критериальное урав- нение:

 

 

 
 
вода ,

 

 


 
где


dвн


– внутренний диаметр труб, м;


вода– коэффициент теплопроводности воды при средней температуре потока, 0,618 Вт/(м·К) [14].

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;

Prст– критерий Прандтля при температуре потока равной температуре стенки со стороны потока.

 

 

 
Pr ,

 

 


где


Cвода


– удельная теплоемкость воды при средней температуре потока,


 
4180 Дж/(кг·К) [14];

вода– динамический коэффициент вязкости воды при средней тем- пературе потока, 0,804·10 -3Па·с [14].


 


 
 
 
Pr 4180 0,000804

0,618


5,44 .


 

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

Удельная теплоемкость воды при 76,6 °С составит


С
ст вода

 

 
ст вода

 

 
ст


4190 Дж/(кг·К) [14].

 
Коэффициент теплопроводности воды при 76,6 °С составит

 
0,673Вт/(м·К) [14].

 
Динамический коэффициент вязкости воды при 76,6 °С составит

 
 
3


 
вода


0,372 10


Па ·с [14].


 


Prст


4190 0,000372

 
 
0,673


2,32 .


 

 
Тогда критерий Нуссельта:

 


 

⇐ Предыдущая13141516171819202122Следующая ⇒





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