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
65ºС;
Отношение tб
tм
значит, средняя движущая сила процесса будет рассчитана как среднеарифметическое.
65 45
55 ºС.
8.1.2.3.
Q вода Q п.
Тепловая нагрузка в теплообменном аппарате:
rвода Gвода Cвода(tвод.к tвод.н) Qп.
rпар 1,05Gвода Cвода (tвод.к tвод.н).
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.
Дж/кг, удельная теплота конденсации толуола при 85 °С соста-
rтол Дж/кг [16].
0,95 376240(1 0,95) 327235,2 Дж/кг.
Qпар 45000 327235,2
4090440Вт.
3895657 ,1 Вт.
tср 40 20
30 °С.
Свода Дж/(кг·К) [14].
3895657,1 46,6
кг/с.
Cвода(tвод.к tвод.н) 4180(40 20)
8.1.2.4.
гося пара органических веществ к воде Kор= 800 Вт/(м2·К).
3895657,1 88,5 м2.
tср 55,0
8.1.2.5.
Плотность воды при 30 °С составит вода кг/м3[14].
вода 0,804 10 Па ·с [14].
Тогда скорость потока в трубах составит:
25000 0,000804
м/с. dвн вода 0,021 996
Число труб на один ход составит:
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
9963,14 0,021 101
Reист 1,34 0,021 996
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:
3 2 r g
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
– 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;
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:
хдхэ тол(1 хдхэ ) ,
где дхэ , тол – коэффициент теплопроводности дихлорэтана и толуола
0,120Вт/(м·К), коэффициент теплопроводности толуола при 85 °С со- ставит тол 0,119 Вт/(м·К) [16].
0,95 0,119 (1 0,95) 0,120 Вт/(м · К).
,
где дхэ , тол – плотность дихлорэтана и толуола при температуре конден-
кг/м3, плот- ность толуола при 85 °С составит тол кг/м3[16].
1155,5 (1 0,95) 1130,7 кг/м3.
см ) xдхэ lg( дхэ ) (1 xдхэ)lg( тол ) ,
где xдхэ – молярная доля дихлорэтана в смеси;
тол – динамический коэффициент вязкости дихлорэтана и толуо-
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
0,405 10 Па·с, динамический коэффициент вязкости толуола при 85 °С составит
0,307 10 3 Па·с [16].
см) 0,946lg(0,405 10 3) (1 0,946) lg(0,307 10 3) 3,399;
3,399 0,000399Па·с.
пара tст 1 80ºС и определим коэффициент t по следующей формуле:
ст
t см
1/ 8
,
– коэффициент теплопроводности конденсата при температуре
0,121 Вт/(м·К), коэффициент теплопроводности толуола при 80 °С со-
ст тол 0,120 Вт/(м·К) [16].
0,120(1 0,95) 0,121 Вт/(м·К).
0,420 10 Па·с, динамический коэффициент вязкости толуола при
ст тол 0,319 10 3 Па·с [16].
0,946lg(0,420 10 3) (1 0,946)lg(0,319 10 3) 3,383;
см 0,000414Па ·с. Тогда:
t 0,120 3 0,000399
1/ 8 0,998.
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.
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
ст rзагр1 ст rзагр2 0,002
1 11600 1 2900 4,7 10
tст1 qпар rст
4,7 10 4
8.1.2.12.
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:
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.
где Cвода – удельная теплоемкость воды при средней температуре потока,
вода– динамический коэффициент вязкости воды при средней тем- пературе потока, 0,804·10 -3Па·с [14].
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
4190 Дж/(кг·К) [14].
0,372 10 Па ·с [14].
Prст 4190 0,000372
2,32 .
|