Здавалка
Главная | Обратная связь

Пример расчета кипятильника



Подобрать кожухотрубчатый теплообменник для испарения 50000 кг/ч смеси с массовой долей хлороформа 2 % и дихлорэтана 98 % при атмо- сферном давлении. Греющая среда – насыщенный водяной пар с давлением 600 к Па. Потери теплоты в окружающую среду примем в размере 5 % от по- лезной теплоты.


8.1.3.1. Схема аппарата представлена на рис. 8.11.

 

 

Рис. 8.11. Схема кожухотрубчатого испарителя

 

Смесь хлороформ – дихлорэтан будет двигаться по трубному про- странству теплообменного аппарата снизу вверх, а греющий пар по меж- трубному пространству. Насыщенный водяной пар подается в теплообмен- ный аппарат сверху, в процессе теплопередачи конденсируется и снизу теп- лообменника отводится конденсат.

 

8.1.3.2. Средняя движущая сила процесса. Смесь хлороформ – дихлорэтан будет испаряться при 82,5 ºС. Насыщенный водяной пар с дав- лением 600 кПа будет иметь температуру 158,1 ºС и при этой температуре будет происходить его конденсация.

 

t, ºС

 

S (l)

Рис. 8.12. График изменения температур теплоносителей в испарителе


 


 
 
tср


tконд. пар


tкип.см


158,1


82,5


75,6


ºС.


 

8.1.3.3.

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

 


 
Qпар


Qсм


Qп.


 

Тепловая нагрузка в теплообменном аппарате:

 

 
 
 
 
Q Qсм.

 


 
 
 
Gпар


rпар


Gсм


rсм


Qп.


 


 
Gпар


rпар


1,05Gсм


rсм .


 

 
 
Удельная теплота испарения смеси органических веществ определяется по формуле:


rсм


rхф


х хф


rдхэ(1


х хф ) ,


 

 


где


xхф


– массовая доля хлороформа в смеси,


rхф , rдхэ


– удельная теплота испарения хлороформа и дихлорэтана при


температуре испарения, Дж/кг.

 
Удельная теплота испарения хлороформа при 82,5 °С составит


 
rхф


238431Дж/кг, удельная теплота испарения дихлорэтана при 82,5 °С со-


ставит


rдхэ



Дж/кг [16].


 


 
rсм



0,02


325766 (1


0,02)


324019 ,3


Дж/кг.


 

 
 
 
 
 
Определим тепловую нагрузку теплообменного аппарата:

 


Qсм


50000 324019,3

 
 
3600


4500268,1 Вт.


 

Удельная теплота конденсации пара с давлением 600 кПа составляет 2095 кДж/кг [14].

 

 
Определим расход греющего пара:

 


 
 
 
 
Gпар


1,05 50000 324019,3


2,26кг/с.




8.1.3.4. Ориентировочная поверхность теплопередачи. Зададимся ори- ентировочным значением коэффициента теплопередачи от конденсирующе- гося водяного пара к кипящей органической жидкости Kор= 2500 Вт/(м2·К).

 
Тогда ориентировочная поверхность теплопередачи составит:

 


 
 
S Q


4500268,1


23,8


м2.


 
ор Kор


tср



75,6


 

8.1.3.5.

 
Подбор кожухотрубчатого теплообменного аппарата. Подбор теплообменного аппарата производится по ориентировочной поверхности теплопередачи.

Выберем одноходовой 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 111 шт.;

Поверхность теплообмена 26 м2; Длина труб 3 м;

Число труб по вертикали 11 шт.

 

8.1.3.5. Схема теплопередачи через стенку представлена на рис. 8.13.

 

Рис. 8.13. Схема теплопередачи через стенки труб испарителя

8.1.3.6. Расчёт коэффициента теплоотдачи со стороны пара. Коэф- фициент теплоотдачи для пара, конденсирующегося на наружной поверхно- сти пучка вертикальных труб высотой Н, рассчитывается по следующей формуле:

 


 

 
пар


 
 
2,04 t 4


2 r g

t H ,


 

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

– коэффициент теплопроводности конденсата при температуре кон-

денсации, 0,683 Вт/(м·К) [14];

– плотность конденсата при температуре конденсации, 935 кг/м3 [14];

r – удельная теплота конденсации пара, 2095000 Дж/кг [14];

 
g – ускорение свободного падения, 9,81 м/с2[14];

 
– динамический коэффициент вязкости конденсата при температуре конденсации, 212·10-6 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


140ºС, тогда коэффициент теплоотдачи от конденсирую-


щегося пара к стенки составит:

 

 
 
 
 
3 2


 

пар


2,04


1 4 0,6832 908 ,9 2095000


5623 ,63


Вт/(м2·К).


0,000176 (158,1


140 )3,0


 

8.1.3.7.

 
 
 
 
Удельный тепловой поток со стороны пара:

 


qпар


пар(tконд


tcт1)


5623,63(158,1


140)


101787,7


Вт/м2.


 

8.1.3.8. Температура стенки со стороны потока. Термические сопро-


1

тивления загрязнений со стороны водяного пара, 5800


(м2·К)/Вт [14].


Термические сопротивления загрязнений со стороны потока органиче-


 
 
 
 
ской жидкости, 5800


(м2·К)/Вт [14].


 


 
rст


ст rзагр1 ст


rзагр 2


0,002

 
 
 
46,5


1 5800


1 5800


3,9 10


 
(м2·К)/Вт.


 


 
tст 2


tст1


qпар


rст



101787,7


3,9 10 4


100,3 ºС.


 

8.1.3.9.

 
 
 
 
 
 
 
Расчёт коэффициента теплоотдачи от стенки к потоку. В пределах пузырькового режима кипения жидкостей в условиях свободного или вынужденного движения в трубах коэффициент теплоотдачи рассчиты- вается по следующей формуле:


 

 

 
 
см b3 ,

 

 

 
 
где см– коэффициент теплопроводности смеси при температуре кипения потока, Вт/(м ·К);

 
см– динамический коэффициент вязкости смеси при температуре ки- пения потока, Па·с;

см– поверхностное натяжение смеси при температуре кипения потока,


Н/м;


 

Tкип


 

 
 
– температуры кипения, К;


 
Tкип


(Tст


Tкип )


– движущая сила процесса теплоотдачи,К.


Численное значение безразмерной функции b определяется формулой:

 


 

 
b 0,075


 

 
0,75


 

п см

п

см см


2 / 3


 


 
см
где п


– плотность пара смеси хлороформ-дихлорэтан при температуре ки-


пения смеси, кг/м3;

 
см– плотность смеси хлороформ-дихлорэтан при температуре кипения смеси, кг/м3.

Плотность жидкой смеси при температуре кипения 82,5 °С определяет-

ся по формуле:

 

 

 

,

 

 


где


хф ,


 

 
дхэ


– плотность хлороформа и дихлорэтана при температуре кипе-


 
ния, кг/м3.

 
 
Плотность хлороформа при 82,5 °С составит


 

 
 
хф 1373,3


 

кг/м3,


плотность дихлорэтана при 82,5 °С составит


дхэ


1159 ,3


кг/м3 [16].


 

 


 
 
см 1162,92


кг/м3.


 

Плотность паровой смеси при температуре кипения 82,5 °С определя-


 
 
 
 
(1
х
п
п
ется по формуле:

 


 
 
х
п

см хф


хф хф )


дхэ ,


 


 
где


хф ,


п дхэ


– плотность паров хлороформа и дихлорэтана при температуре


 
п
кипения, кг/м3.

Плотность пара при атмосферном давлении можно определить по формуле:

 

 

,

 

 

где М – молекулярная масса пара, кг/кмоль;

Т 0 – температура равная 273 К;

Т – температура пара, К;

22,4 – молярный объем, занимаемый газом при нормальных услови- ях, м3/кмоль.

Тогда плотности паров хлороформа и дихлорэтана будут равны:

 


 
 
п 119 ,38 273


 

 
4,093


кг/м3.


хф 22,4(273


82,5)


 


 
 
п 98 ,96 273


 

 
3,393


кг/м3.


дхэ


22,4(273


82,5)


 

Плотность паровой смеси при температуре кипения будет равна:

 


 
 
 
см
п 0,017


4,093


(1 0,017)3,393


3,404


кг/м3.


 

 
 
 
Тогда:

 


 

 
b 0,075


 

 
0,75


3,404


2 / 3


 

 
0,09


1162,92


3,404


 

Коэффициент теплопроводности смеси при температуре кипения пото- ка определяется по формуле:

 


 
см хф


ххф


дхэ (1


ххф ) ,


 


где


xхф


– массовая доля хлороформа в смеси,


 
хф ,


дхэ


– коэффициент теплопроводности хлороформа и дихлорэтана


 
при температуре кипения потока, Вт/(м · К).

Коэффициент теплопроводности хлороформа при 82,5 °С составит

 
 
 
 
хф 0,1055Вт/(м·К), коэффициент теплопроводности дихлорэтана при


82,5 °С составит


дхэ


0,1205


Вт/(м·К) [14].


 


 
 
 
см 0,1055


0,02


0,1205 (1


0,02)


0,1202


Вт/(м·К).


 

 
 
 
 
 
 
 
 
Вязкость смеси при температуре кипения смеси 82,5 °С определяется по формуле:

 


 
lg(


см)


xхф


lg(


хф )


(1 xхф )lg(


дхэ ) ,


 


где


xхф


– молярная доля хлороформа в смеси,


 


 
хф ,


дхэ


– динамический коэффициент вязкости хлороформа и дихло-


 
рэтана при температуре кипения смеси, Па·с.

 
 
 
Динамический коэффициент вязкости хлороформа при 82,5 °С соста-


 
 
 
 
вит хф


0,325 10


3 Па·с, динамический коэффициент вязкости дихлорэта-


 
на при 82,5 °С составит


 

 
дхэ


0,4125 10


3 Па·с. Молекулярная масса хло-


 
роформа


М хф


119,38


кг/кмоль, молекулярная масса дихлорэтана


М дхэ

 

 

x


98,96


кг/кмоль [14].


 

 
0,02 119,38


 

 
0,017


 
 
 
 
 
 
 
 
хф 0,02 119,38


(1 0,02)


98,96


 

 


 
lg(


см )


0,017lg(0,325 10 3)


(1 0,02)lg(0,4125 10 3)


3,386;


 


 
 
 
см 10


3,386


0,000411


Па·с.


 

 
Поверхностное натяжение смеси при температуре кипения потока опре- деляется по следующей формуле:

 


 
см хф


х хф


дхэ (1


х хф ) ,


 


где


xхф


– массовая доля хлороформа в смеси,


 
хф ,


дхэ


– поверхностное натяжение хлороформа и дихлорэтана при


 
температуре кипения потока, Н/м.

Поверхностное натяжение хлороформа при 82,5 °С составит


 
 
 
 
хф 0,0237


Н/м, поверхностное натяжение дихлорэтана при 82,5 °С соста-


вит


дхэ


0,0187


Н/м [14].


 


 
 
 
см 0,0237


0,02


0,0187 (1


0,02)


0,0188


Н/м.


 

 
 
 
Тогда коэффициент теплопроводности со стороны смеси составит:

 

 
2 2


 
 
 
 
см 0,093 0,1202 1162,92(100,3 82,5)


1412,82Вт/(м2·К).


0,000411


0,0188(82,5


273)


 

8.1.3.10.

 
 
 
 
Удельный тепловой поток со смеси:

 


qсм


см(tст2


tcp)


1412,82(100,3


82,5)


25148,2


Вт/м2.


 

 
qпарqсм, значит, температура стенки принята неверно. Необходимо задаться новой температурой стенки со стороны пара и повторить расчет за- ново по пп. 8.1.3.6-8.1.3.10.

 

8.1.3.6

 
´ Расчёт коэффициента теплоотдачи со стороны пара. Для дальнейшего расчета зададимся температурой стенки со стороны пара равно


tст 1


155 ºС, тогда коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к


стенки составит:

 

 
 
 
 
3 2


 

пар


2,04


1 4 0,6832 908 ,9 2095000


8741,71


Вт/(м2·К).


0,000176 (158,1


155 )3,0


 

8.1.3.7

 
 
 
 
´ Удельный тепловой поток со стороны пара:

 


qпар


пар(tконд


tcт1)


8741,71(158,1


155)


27099,3 Вт/м2.


 

8.1.3.8

 
 
 
 
 
´ Температура стенки со стороны потока:

 


 
tст 2



27099,3


3,9 10 4


144,4


ºС.


8.1.3.9 ´ Расчёт коэффициента теплоотдачи от стенки к потоку:

 

 
2 2


 
 
 
 
см 0,093 0,1202 1162,92(144,4 82,5)


17085,53 Вт/(м2·К).


0,000411 0,0188(82,5


273)


 

8.1.3.10

 
 
 
 
´ Удельный тепловой поток со смеси:

 


qсм


см(tст2


tcp)


17085,53(144,4


82,5)


1057594,31 Вт/м2.


 

 
 
 
qпарqсм, значит, температура стенки принята неверно. Чтобы опре- делить истинную температуру стенки со стороны конденсирующегося пара построим графическую зависимость удельного теплового потока от принятой


температуры стенки, т.е.: q1


f (tст1)


и q2


f (tст1) .


 

 

1200000

Вт/м2

 

 

q

 

 

 


 

135 140 145 150 155 ºС

tст1 →


 

 


 

Рис. 8.14. График зависимости удельного теплового потока в испарителе от температуры стенки со стороны конденсирующегося пара

По графику (рис. 8.14) определим истинную температуру стенки со стороны пара и соответствующий удельный тепловой поток:

 


 
tст1ист


141,0


ºС.


 


 
qиcт


96620 ,63


Вт/м2.


 


По найденному значению


qист


можно определить расчетное значение


коэффициента теплопередачи и расчетную площадь поверхности теплопере-


дачи:


 

Kрасч

 

 

S


 

qиcт tср

 

 
Q


 

96620,63

75,6

 ⇐ Предыдущая13141516171819202122Следующая ⇒







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