ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ(ЗАДАЧНИК) Авторы Р. Б. Комляшев, А. В. Вешняков, М. А. Носырев

нержавеющую сталь ст 17,2 мВтК .

Сумма термических сопротивлений стенки и её загрязнений:

С ростом плотности теплового потока q коэффициент теплоотдачи со стороны конденсирующегося пара α1 уменьшается, а со стороны кипящей жидкости α2 растёт. При этом существует оптимальное значение q, при котором зависящий от коэффициентов теплоотдачи коэффициент теплопередачи будет максимальным.

Оптимальное значение плотности теплового потока находят из уравнения:

Критическое значение плотности теплового потока при кипении: qкр 0,14 r2 2G 4g 2 2

91

L = 3 м, A 438,2 103 Вт 29,29м2 ; 14962 мВт2

L = 4 м, A 438,2 103 Вт 29,58м2 . 14812 мВт2

Выбираем из [4, с. 57, табл. 2.9] одноходовой теплообменник с такой площадью поверхности, чтобы запас по поверхности составлял от 5 до 50 %. Характеристики теплообменника:

площадь поверхности теплопередачи AТО = 40 м2; диаметр кожуха D = 600 мм;

диаметр труб d = 25×2 мм; число ходов N = 1; общее число труб n = 257; длина труб L = 2,0 м.

Запас по поверхности теплопередачи:

92

РАСЧЁТ ТОЛЩИНЫ ТЕПЛОВОЙ ИЗОЛЯЦИИ

Задача 43

Определить необходимую толщину тепловой изоляции плоской стенки дымохода квадратного сечения, по которому транспортируются дымовые газы при температуре 160 °C. Дымоход установлен в помещении, температура воздуха в котором составляет 20 °C. В качестве теплоизоляционного материала используется асбест. Дымоход изготовлен из листовой стали марки Ст3 толщиной 10 мм. На внутренней поверхности дымохода присутствует слой окалины (ржавчины) толщиной 1 мм. Коэффициент теплоотдачи от дымовых газов принять равным 8 Вт/(м²·К).

По технике безопасности температура наружной поверхности изоляции аппаратов, находящихся в помещениях, не должна превышать 40 °C. Таким образом, t2ст 40°С.

Коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности изоляции в окружающую среду определяем по эмпирической формуле Линчевского, которая учитывает и конвективный механизм переноса тепла, и перенос тепла излучением:

2 9,74 0,07 t2ст t2 9,74 0,07 40°С 20°С 11,14 Вт м2 К .

93

Плотность теплового потока по уравнению теплоотдачи: q 2 t2ст t2 11,14 мВт2 К 40°С 20°С 222,8Втм2 .

Для плоской стенки плотность теплового потока остаётся постоянной по всей толщине стенки q const.

Запишем уравнение теплоотдачи для теплагента: q 1 t1 t1ст . Откуда находим температуру поверхности стенки со стороны дымовых газов:

qиз t t2ст . Откуда находим толщину изоляции:

из

Вывод: основное термическое сопротивление оказывает слой изоляции, термическими сопротивлениями окалины и стальной стенки можно пренебречь.

94

Задача 44

Определить необходимую толщину тепловой изоляции цилиндрической стенки паропровода, по которому транспортируется 1,5 т/ч насыщенного водяного пара при температуре 150 °C. Паропровод установлен в помещении, температура воздуха в котором составляет 25 °C. В качестве теплоизоляционного материала используется стеклянная вата. Паропровод изготовлен из стальной трубы диаметром 108×4 мм, марка стали Ст3. Определить также долю тепловых потерь в окружающую среду от тепловой нагрузки паропровода, если длина трубопровода 100 м.

Решение

По технике безопасности: t2ст 40°С. Коэффициент теплоотдачи по формуле Линчевского:

2 9,74 0,07 t2ст t2 9,74 0,07 40°С 25°С 10,79Вт м2 К .

Плотность теплового потока с наружной поверхности изоляции находим по уравнению теплоотдачи:

qн 2 t2ст t2 10,79 мВт2 К 40°С 25°С 161,9 Втм2 .

Для цилиндрической стенки трубы плотность теплового потока уменьшается по мере удаления от оси трубы q const.

Движущая сила процесса теплопередачи от пара к окружающему воздуху через изолированную стенку равна разности температур:

t t1 t2 150°С 25°С 125°С.

Запишем основное уравнение теплопередачи: Q K A t.

Выразим из основного уравнения теплопередачи коэффициент теплопередачи, записанный относительно наружной поверхности изоляции:

Запишем выражение для коэффициента теплопередачи через многослойную плоскую стенку:

95

В данной задаче стенка двухслойная i = 2, с внутренней поверхностью контактирует насыщенный водяной пар вн 1, с наружной – окружающий воздух н 2 .

Внутренний диаметр стальной трубы: dвн 108мм 2 4мм 100мм 0,1м.

Диаметр на границе слоёв стали и изоляции равен наружному диаметру стальной трубы: d 108мм 0,108м.

Наружный диаметр изоляции неизвестен и может быть найден после определения толщины изоляции: dн d 2 из .

Таким образом, выражение для коэффициента теплопередачи примет вид:

Поскольку толщина стальной стенки намного меньше толщины изоляции, а коэффициент теплопроводности стали, наоборот, намного больше, то

стенки можно пренебречь.

С учётом этих допущений выражение для коэффициента теплопередачи упрощаем:

K 12 d 2 2из из ln d d2 из 1 ,

а температуру на границе слоёв принимаем равной температуре насыщенного водяного пара: t t1 150°С.

Теплопроводность материала изоляции [1, табл. XXVIII]: стеклянная вата из 0,0525 мВтК .

Поскольку значение коэффициента теплопередачи известно, то из уравнения можно найти толщину тепловой изоляции. Однако из нельзя аналити-

96

чески выразить из полученного уравнения (уравнение трансцендентно относительно из ). Такое уравнение может быть решено численными методами.

Для этого в качестве первого приближения найдём толщину изоляции для плоской стенки:

Задавшись в качестве начального приближения толщиной изоляции для плоской стенки, методом итераций находим толщину тепловой изоляции для цилиндрической стенки: из 0,02901м 29мм.

Наружный диаметр изоляции:

dн d 2 из 0,108м 2 0,029м 0,166м.

Площадь наружной поверхности изоляции:

Aн dн L 3,142 0,166м 100м 52,15м2 .

Тепловые потери с наружной поверхности изоляции:

Доля тепловых потерь менее 5 % допустима для паропроводов.

97

ЛИТЕРАТУРА

1.Павлов К. Ф., Романков П. Г., Носков А. А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Учебное пособие для вузов. Л. Химия. 1987.

2.Бобылёв В. Н. Физические свойства наиболее известных химических веществ. М.: РХТУ, 2003.

3.Справочник химика, 2-е изд., Т. 1. Л.: Госхимиздат, 1962.

4.Основные процессы и аппараты химической технологии. Пособие по проектированию. Под ред. Дытнерского Ю. И. М.: «Химия». 1991.

5.Бобылёв В. Н. Подбор и расчёт трубчатых теплообменников. Учебнометодическое пособие. М., 2003.

98