РАСЧЕТ РЕКУПЕРАТИВНЫХ ТЕПЛООБМЕННИКОВ

Контрольная работа

по курсу «Процессы и аппараты химической технологии»

Вариант 1-12.

Подобрать кожухотрубчатый теплообменник для нагревания 45000 кг/ч смеси с массовой долей этилового спирта 40 % и воды – 60 %, при атмосферном давлении от температуры 20 С до температуры 80 С. Греющая среда – насыщенный водяной пар с давлением 300 кПа. Потери теплоты в окружающую среду примем в размере 5 % от полезной теплоты.

Схема аппарата приведена на рис. 8.1.

Рис. 1. Схема одноходового кожухотрубчатого подогревателя

Нагреваемая смесь будет двигаться по трубному пространству теплообменного аппарата, а греющий пар по межтрубному пространству. Пар подается в теплообменный аппарат сверху, в процессе теплопередачи конденсируется и снизу теплообменника отводится конденсат.

Средняя движущая сила процесса. Смесь этиловый спирт–вода нагревается от 20 до 80 С. Насыщенный водяной пар с давлением 300 кПа будет иметь температуру 133,5 С и при этой температуре будет происходить его конденсация (рис. 8.2).

Рис. 2. График изменения температур теплоносителей в подогревателе.

Отношение , значит, средняя движущая сила процесса будет рассчитана как среднелогарифмическое.

Тепловая нагрузка и расход греющего пара. Составим уравнение теплового баланса. Часть теплоты от пара переходит через стенку кожуха в окружающую среду.

Тепловая нагрузка в теплообменном аппарате:

Удельная теплота конденсации пара с давлением 300 кПа составляет 2169,2 кДж/кг [16].

Удельная теплоемкость смеси при средней температуре потока равной определяется по формуле:

где - массовая доля этилового спирта в смеси,

-удельная теплоемкость этилового спирта и воды при средней температуре потока, Дж/(кг·К).

Удельная теплоемкость этилового спирта при 50°С составит , удельная теплоемкость воды при 50°С составит [16].

Определим расход греющего пара:

Определим тепловую нагрузку теплообменного аппарата:

Ориентировочная поверхность теплопередачи. Зададимся ориентировочным значением коэффициента теплопередачи от конденсирующегося водяного пара к органической жидкости Kор= 340 Вт/(м2·К).

Тогда ориентировочная поверхность теплопередачи составит:

Число труб на один ход в теплообменном аппарате. Зададимся критерием Рейнольдса, значение которого будет соответствовать турбулентному режиму движения теплоносителя по трубам диаметром 252 мм. И при этом значении критерия Рейнольдса определим скорость движения теплоносителя по трубам. Примем Re = 20000. Определим плотность и вязкость потока при его средней температуре.

Плотность водного раствора этилового спирта при 50°С составит .

Вязкость смеси при 50°С составит .

Тогда скорость потока в трубах составит:

Число труб на один ход составит:

Подбор кожухотрубчатого теплообменного аппарата производится по ориентировочной поверхности теплопередачи и рассчитанному числу труб в теплообменном аппарате.

Выберем шестиходовой теплообменный аппарат типа ТК (так как разность температур между теплоносителями превышает 30 С) имеющий следующие параметры [25]:

Диаметр кожуха 0,8 м;

Число труб 384 шт.;

Число труб на один ход 64 шт.;

Поверхность теплообмена 181 м2;

Длина труб 6 м;

Число труб по вертикали 20 шт.

Рис. 3. Схема шестиходового кожухотрубчатого подогревателя.

Истинная скорость движения потока по трубам и режим движения потока:

Режим движения жидкости турбулентный.

8. Схема теплопередачи через стенку представлена на рис. 8.4.

Рис. 4. Схема теплопередачи через стенки труб подогревателя.

Расчёт коэффициента теплоотдачи со стороны пара. Коэффициент теплоотдачи для пара, конденсирующегося на наружной поверхности пучка горизонтальных труб, рассчитывается по следующей формуле:

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

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

– коэффициент теплопроводности конденсата при температуре конденсации, 0,6856 Вт/(м•К) [39];

– плотность конденсата при температуре конденсации, 931.85 кг/м3 [39];

– удельная теплота конденсации пара, 2169500 Дж/кг [56];

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

– динамический коэффициент вязкости конденсата при температуре конденсации, 206,4•10-6 Па•с [14];

t – разность между температурой конденсации пара и температурой стенки со стороны пара, (tконд –tст1), С;

dнар – наружный диаметр труб, м.

Для дальнейшего расчета зададимся температурой стенки со стороны пара равной tст1=130 С, тогда коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенки составит:

Удельный тепловой поток со стороны пара:

Температура стенки со стороны потока:

где rст – термические сопротивления стенки с учетом загрязнений.

где rзагр1 – термические сопротивления загрязнений со стороны водяного пара, 1/580 (м2*К)/Вт;

rзагр2 – термические сопротивления загрязнений со стороны потока органической жидкости, 1/580 (м2*К)/Вт;

– толщина стенки, м;

– теплопроводность материала стенки, для стали 46,5 Вт/(м*К).

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

где dвн – внутренний диаметр труб, м;

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

Коэффициент теплопроводности смеси при средней температуре потока определяется по формуле:

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

где – коэффициент, учитывающий влияние длины трубы (канала) на коэффициент теплоотдачи, .

– критерий Прандтля при средней температуре потока;

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

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

Удельная теплоемкость этилового спирта при 115,02°С составит , удельная теплоёмкость воды при 115,02 °С составит

Коэффициент теплопроводности 40% водного раствора этилового спирта при 115,02 °С составит Вт/(м•К).

Динамический коэффициент вязкости 40% водного раствора этилового спирта при 115,02 °С составит .

Тогда критерий Нуссельта:

Удельный тепловой поток со смеси:

, значит, температура стенки принята неверно. Необходимо задаться новой температурой стенки со стороны пара и повторить расчет заново по пп. 9 – 13.

Расчёт коэффициента теплоотдачи со стороны пара. Зададимся температурой стенки со стороны пара равной tст1 = 120С, тогда коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенки составит:

Удельный тепловой поток со стороны пара:

Температура стенки со стороны потока:

Расчёт коэффициента теплоотдачи от стенки к потоку. Для расчета критерия Прандтля при температуре потока равной температуре стенки необходимо определить свойства потока при температуре стенки:

Удельная теплоемкость этилового спирта при 79,21 °С составит , удельная теплоемкость воды при 79,21 С составит .

Коэффициент теплопроводности 40% водного раствора этилового спирта при 79,21 °С составит Вт/(м•К).

Динамический коэффициент вязкости 40% водного раствора этилового спирта при 79,21 °С составит .

Тогда критерий Нуссельта:

Удельный тепловой поток со смеси:

, 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.: и

По графику определим истинную температуру стенки со стороны пара и соответствующий удельный тепловой поток:

По найденному значению qист можно определить расчетное значение коэффициента теплопередачи и расчетную площадь поверхности теплопередачи:

Найдем запас площади поверхности теплопередачи в выбранном теплообменном аппарате по сравнению с рассчитанной площадью.

Запас по площади теплопередачи слишком большой, что не целесообразно с экономической точки зрения. Поэтому необходимо выбрать теплообменный аппарат меньший по площади.

Выберем двухходовой теплообменный аппарат типа ТК имеющий следующие параметры [25]:Диаметр кожуха 0,8 м;

Число труб 384 шт.;

Число труб на один ход 64 шт.;

Поверхность теплообмена 181 м2;

Длина труб 3 м;

Число труб по вертикали 20 шт

При этом тип теплообменного аппарата не изменится и сохранится то же число труб на один ход, что позволит не производить пересчет всех параметров теплопередачи. Необходимо лишь определить запас площади поверхности теплопередачи во вновь выбранном теплообменном аппарате:

Выбранный теплообменный аппарат подходит с запасом по площади поверхности теплопередачи 26 %.

Литература

1. Абрамов, О.В. Процессы и аппараты пищевых производств: Учебник для вузов / А.Н. Остриков, О.В. Абрамов, А.В. Логинов; Под ред. А.Н. Остриков. - СПб.: ГИОРД, 2012. - 616 c.

2. Бобович, Б.Б. Процессы и аппараты переработки отходов: Учебное пособие / Б.Б. Бобович. - М.: Форум, НИЦ ИНФРА-М, 2013. - 288 c.

3. Вальдберг, А.Ю. Процессы и аппараты защиты окружающий среды. Защита атмосферы: Учебное пособие для вузов / А.Ю. Вальдберг, Н.Е. Николайкина. - М.: Дрофа, 2008. - 239 c.

4. Пилипенко, Н.И. Процессы и аппараты: Учебник для студентов учреждений сред. проф. образования / Н.И. Пилипенко, Л.Ф. Пелевина. - М.: ИЦ Академия, 2008. - 304 c

РАСЧЕТ РЕКУПЕРАТИВНЫХ ТЕПЛООБМЕННИКОВ