3.2 Определение среднего перепада температур

Рисунок 6 - График изменения температур в процессе теплообмена

∆t_б = t_1н – t_2н = 132,9 – 20,0 = 112,9 ˚С;

∆t_м = t_1к – t_2к = 132,9 – 74,0 = 58,9 ˚С,

где ∆t_б и ∆t_м – наибольшая и наименьшая разность температур теплоносителей на концах аппарата, ˚С.

∆t_б /∆t_м =3,63 > 2

Тогда, средняя разность температур потоков определяется по формуле:

(42)

∆t_cp = (112,9 – 31,1)/ ln 3,63 = 63,46 ˚С

Для определения тепловых потоков и коэффициентов теплоотдачи находят среднюю температуру теплоносителя:

t_2cp = t_1н – ∆t_cp = 132,9 – 63,46 = 69,44 ˚С.

3.3 Ориентировочный расчет теплообменника

Ориентировочную поверхность теплообменника находим из уравнения теплопередачи:

, (43)

где К_ор – ориентировочный коэффициент теплопередачи, Вт/(м²∙К);

Принимаем К_ор = 300 Вт/(м²∙К) [2, c.172].

м²

Находим сечения для прохода холодного теплоносителя, при котором обеспечивается необходимая скорость течения теплоносителя. Скорость течения теплоносителя для кожухотрубчатых теплообменников принимается в пределах 0,5…0,7 м/с.

F₂ = G₂ / ρ₂, (44)

где ρ₂ – плотность смеси при температуре t_2cp, кг/см³.

, (45)

где ρ_А и ρ_В – плотность воды и уксусной кислоты при температуре t_2ср , кг/см³

[2, c. 512].

t_2cp = 69,44 ºС: ρ_А = 978 кг/м³, ρ_В = 993 кг/м³.

кг/м³

м²

По каталогу выбираем одноходовой кожухотрубчатый теплообменник с поверхностью теплообмена F = 4,5 м². Число труб, n = 37 шт., диаметр кожуха (наружный), D = 273 мм., длина труб, l = 1,5 м., размер труб 25 * 2 мм [2, c.215].

Внутренний диаметр труб:

d = d_н – 2S = 25 - 2∙2 = 21 мм.

Уточняем скорость движения жидкости по трубам:

. (46)

м/с

3.4 Уточненный расчет теплообменника

Расчет коэффициента теплопередачи в теплообменнике производят по формуле:

, (47)

где α₁ и α₂ – коэффициенты теплоотдачи от горячего теплоносителя к стенке и от стенки к холодному теплоносителю соответственно, Вт/(м^2∙К);

– термическое сопротивление стенки и отложений, (м^2∙К)/Вт.

Расчет термического сопротивления стенки и отложений:

, (48)

где δ_ст – толщина металлической стенки, δ_ст = 0,002 м;

λ_ст = 46,5 Вт/(м²∙К) – теплопроводность стальной стенки;

δ₁, δ₂ – толщина отслоений со стороны горячего и холодного теплоносителей соответственно, м ;

λ₁, λ₂ – теплопроводность отложений со стороны горячего и холодного теплоносителей соответственно, Вт/(м²∙К) [2, c.531].

; ;

(м²∙К)/Вт

Для расчета коэффициента теплоотдачи от стенки к холодному теплоносителю α₂ определяем режим движения данного теплоносителя по критерию Рейнольдса:

, (49)

где μ₂ - вязкость смеси при температуре t_f , мПа∙с.

lg μ₂ = x_f lg μ_A + (1 – x_f)lg μ_B, (50)

где μ_A = 0,26 мПа∙с [2, c.516]; μ_B = 0,45 мПа∙с [2, c.517].

Отсюда μ₂ = 0,352 мПа∙с

Критерий Рейнольдса находится в пределах Re < 2300, следовательно, режим движения жидкости ламинарный. Теплопередача в прямых трубах и каналах для вертикального расположения труб при Re < 2300 находится по формуле:

^. (51)

, тогда > 50, из этого следует что ε₁ = 1.

принимаем равным 1.

Критерий Нуссельта также определяется по формуле:

, (52)

где λ₂ – теплопроводность холодного теплоносителя, Вт/мК.

Теплопроводность холодного теплоносителя определяется по формуле:

λ₂ = x_f λ_A + (1 – x_f) λ_B, (53)

где λ_A = 0,67 Вт/(м∙К); λ_B = 0,16 Вт/(м∙К) [2, c.561].

Тогда λ₂ = 0,39 Вт/(м∙К).

=

Отсюда выражаем коэффициент теплоотдачи от стенки к холодному теплоносителю:

α₂ = .

α₂ = Вт/(м²∙К)

Расчет коэффициента теплоотдачи от горячего теплоносителя к стенке α₁.

Среднее значение коэффициента теплоотдачи на поверхности пучка вертикальных труб высотой l:

, (54)

где λ₁ – теплопроводность конденсата паров при температуре t₁,

λ₁ = 68,7 10^-2 Вт/(м∙К);

ρ₁ – плотность конденсата при температуре t₁, ρ₁ = 943 кг/см³;

r₁ – удельная теплота парообразования водного пара, r₁ = 2171 кДж/кг;

μ₁ – вязкость конденсата при температуре t₁, μ₁ = 0,15 ∙ 10^-3 Па∙с;

l – высота теплообменных труб, l = 1,5 м;

∆t₁ – разница температур горячего теплоносителя и стенки со стороны горячего теплоносителя, определяется методом подбора.

Ориентировочно перепад температур горячего теплоносителя и стенки можно рассчитать по формуле:

, (55)

где ∆t_пол – полезный перепад температур, ∆t_пол = ∆t_ср, ˚С.

Для водного пара коэффициент теплопередачи от горячего теплоносителя к стенке α₁ примерно равен 7000 Вт/(м²∙К), тогда:

˚С.

Вт/(м²∙К)

Расчет коэффициента теплопередачи:

Вт/(м²∙К).

Проверяем принятый перепад температур из условия равенства тепловых нагрузок:

К ∙ ∆t_ср = α₁ ∙ ∆t₁ (56)

Отсюда:

∆t₁ = = 0,30 ˚С

Разница между принятыми и расчетным значениями ∆t₁: δ = 56% > 10%.

Пересчитываем коэффициент теплоотдачи α₁:

Вт/(м²∙К).

Тогда коэффициент теплопередачи:

Вт/(м²∙К).

Перепад температур составит:

∆t₁ = = 0,25 ˚С

Разница между принятыми и расчетными значениями ∆t₁: δ = 16% > 10%.

Пересчитываем коэффициент теплоотдачи α₁:

Вт/(м²∙К).

Тогда коэффициент теплопередачи:

Вт/(м²∙К).

Перепад температур составит

∆t₁ = = 0,23 ˚С

Разница между принятыми и расчетными значениями ∆t₁: δ = 9% < 10% - пересчет α₁ заканчиваем.

Вносим поправку в коэффициент теплоотдачи α₂:

,

˚С;

∆t_2ст = ∆t_2ср + ∆t₂ = 69,44 + 61,32 = 130,76˚С.

При температуре ∆t_2ст = 130,76˚С критерий Nu будет равен :

lg μ_ст2 = x_f lg μ_A + (1 - x_f)lg μ_B,

где μ_A = 0,212 мПа∙с[2, c.516]; μ_B = 0,31 мПа∙с[2, c.517].

Отсюда μ_ст2 = 0,26 мПа∙с,

;

α₂ = 79,85 ∙ 1,35 = 107,80 Вт/(м²∙К).

Уточняем коэффициент теплопередачи:

Вт/(м²∙К)