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
tконд. пар tкип.см 158,1 82,5 75,6 ºС.
8.1.3.3.
Qсм Qп.
Тепловая нагрузка в теплообменном аппарате:
rпар Gсм rсм Qп.
rпар 1,05Gсм rсм .
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.
238431Дж/кг, удельная теплота испарения дихлорэтана при 82,5 °С со- ставит rдхэ Дж/кг [16].
0,02 325766 (1 0,02) 324019 ,3 Дж/кг.
Qсм 50000 324019,3
4500268,1 Вт.
Удельная теплота конденсации пара с давлением 600 кПа составляет 2095 кДж/кг [14].
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).
4500268,1 23,8 м2.
tср 75,6
8.1.3.5.
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:
2 r g t H ,
– 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];
стенки со стороны пара, (tконд tст1), ºС; dнар – наружный диаметр труб, м.
пара равной tст 1 140ºС, тогда коэффициент теплоотдачи от конденсирую- щегося пара к стенки составит:
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.
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-
(м2·К)/Вт [14].
ст rзагр1 ст rзагр 2 0,002
1 5800 1 5800 3,9 10
tст1 qпар rст 101787,7 3,9 10 4 100,3 ºС.
8.1.3.9.
см– поверхностное натяжение смеси при температуре кипения потока, Н/м;
Tкип
(Tст Tкип ) – движущая сила процесса теплоотдачи,К. Численное значение безразмерной функции b определяется формулой:
п см п см см 2 / 3
– плотность пара смеси хлороформ-дихлорэтан при температуре ки- пения смеси, кг/м3;
Плотность жидкой смеси при температуре кипения 82,5 °С определяет- ся по формуле:
,
где хф ,
– плотность хлороформа и дихлорэтана при температуре кипе-
кг/м3, плотность дихлорэтана при 82,5 °С составит дхэ 1159 ,3 кг/м3 [16].
кг/м3.
Плотность паровой смеси при температуре кипения 82,5 °С определя-
см хф хф хф ) дхэ ,
хф , п дхэ – плотность паров хлороформа и дихлорэтана при температуре
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:
кг/м3. хф 22,4(273 82,5)
кг/м3. дхэ 22,4(273 82,5)
Плотность паровой смеси при температуре кипения будет равна:
4,093 (1 0,017)3,393 3,404 кг/м3.
3,404 2 / 3
1162,92 3,404
Коэффициент теплопроводности смеси при температуре кипения пото- ка определяется по формуле:
ххф дхэ (1 ххф ) ,
где xхф – массовая доля хлороформа в смеси,
дхэ – коэффициент теплопроводности хлороформа и дихлорэтана
Коэффициент теплопроводности хлороформа при 82,5 °С составит
82,5 °С составит дхэ 0,1205 Вт/(м·К) [14].
0,02 0,1205 (1 0,02) 0,1202 Вт/(м·К).
см) xхф lg( хф ) (1 xхф )lg( дхэ ) ,
где xхф – молярная доля хлороформа в смеси,
дхэ – динамический коэффициент вязкости хлороформа и дихло-
0,325 10 3 Па·с, динамический коэффициент вязкости дихлорэта-
0,4125 10 3 Па·с. Молекулярная масса хло-
М хф 119,38 кг/кмоль, молекулярная масса дихлорэтана М дхэ
x 98,96 кг/кмоль [14].
(1 0,02) 98,96
см ) 0,017lg(0,325 10 3) (1 0,02)lg(0,4125 10 3) 3,386;
3,386 0,000411 Па·с.
х хф дхэ (1 х хф ) ,
где xхф – массовая доля хлороформа в смеси,
дхэ – поверхностное натяжение хлороформа и дихлорэтана при
Поверхностное натяжение хлороформа при 82,5 °С составит
Н/м, поверхностное натяжение дихлорэтана при 82,5 °С соста- вит дхэ 0,0187 Н/м [14].
0,02 0,0187 (1 0,02) 0,0188 Н/м.
1412,82Вт/(м2·К). 0,000411 0,0188(82,5 273)
8.1.3.10.
qсм см(tст2 tcp) 1412,82(100,3 82,5) 25148,2 Вт/м2.
8.1.3.6
tст 1 155 ºС, тогда коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенки составит:
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
qпар пар(tконд tcт1) 8741,71(158,1 155) 27099,3 Вт/м2.
8.1.3.8
27099,3 3,9 10 4 144,4 ºС. 8.1.3.9 ´ Расчёт коэффициента теплоотдачи от стенки к потоку:
17085,53 Вт/(м2·К). 0,000411 0,0188(82,5 273)
8.1.3.10
qсм см(tст2 tcp) 17085,53(144,4 82,5) 1057594,31 Вт/м2.
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:
141,0 ºС.
96620 ,63 Вт/м2.
По найденному значению qист можно определить расчетное значение коэффициента теплопередачи и расчетную площадь поверхности теплопере- дачи:
Kрасч
S
qиcт tср
96620,63 75,6
©2015 arhivinfo.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.
|