ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ(ЗАДАЧНИК) Авторы Р. Б. Комляшев, А. В. Вешняков, М. А. Носырев
.pdf
|
1 |
1860 2900 |
Вт |
, берём середину интервала |
1 |
2380 |
Вт |
. |
|
|||
|
|
м2 К |
R |
|
|
|||||||
|
R |
|
|
|
|
м2 К |
||||||
|
з2 |
|
|
з2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Теплопроводность стальной стенки трубок теплообменника: |
|
|
|
|
|
|||||||
для неагрессивных жидкостей берём углеродистую сталь |
|
46,5 |
Вт |
, |
||||||||
ст |
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
м К |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
для агрессивных жидкостей (органические кислоты, нитробензол) берём
нержавеющую сталь |
|
|
17,2 |
|
|
Вт |
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
ст |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
м К |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Коэффициент теплопередачи для цилиндрической стенки |
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
(внутри трубы змеевика – вода – вн |
2 , dвн |
0,017 м, Rз вн |
Rз2 ; |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
снаружи змеевика – водяной пар – н 1, dн |
0,020м, Rз н |
Rз1): |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
dн |
|
|
|
|
|
dн |
|
|
|
|
|
|
|
|
dн |
|
|
|
|
1 |
|
dн |
|
1 |
|
|
|
|
||||||||||
K |
|
|
Rз н |
|
|
|
|
|
|
ln |
|
Rз вн |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
2 |
ст |
|
|
dвн |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
н |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
dвн |
|
|
|
|
|
|
вн dвн |
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
0,020м |
|
|
|
|
0,020м |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ln |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
9145 |
|
Вт |
|
|
|
5800 |
Вт |
|
|
|
|
2 |
46,5 |
Вт |
|
|
|
|
0,017 м |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
м К |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
м К |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
м К |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,020м |
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
0,020м |
1 |
|
1009 |
|
Вт |
|
|
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
. |
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
2380 |
|
|
Вт |
|
|
|
|
|
0,017м |
|
|
|
6540 |
|
|
Вт |
|
|
|
|
0,017 м |
|
|
|
|
|
|
м2 К |
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
м К |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
м К |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
Расчётная площадь поверхности теплопередачи: |
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
A |
|
|
|
Q |
|
|
|
|
|
|
|
|
74,79 103 Вт |
|
0,9546м2 . |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
K t |
ср |
1009 |
|
Вт |
|
77,64К |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
м К |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
Запас по поверхности теплопередачи: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
A |
|
|
A |
|
|
|
0,5177 м2 0,9546м2 |
100% 45,8%. |
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
ТО |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
A |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,9546м2 |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Аналогичный расчёт без учёта загрязнений поверхности стенок даёт следующие результаты: K 1009 мВт2 К , A 0,3123м2 , 65,8%.
Таким образом, змеевиковый подогреватель обеспечивает нагрев жидкости до необходимой температуры только при незначительных загрязнениях.
81
ПОВЕРОЧНЫЙ РАСЧЁТ КОЖУХОТРУБЧАТОГО ТЕПЛООБМЕННИКА-ХОЛОДИЛЬНИКА
Задача 41
В шестиходовом кожухотрубчатом теплообменнике производится охлаждение 10 т/ч бензола от 75 °C до 30 °C. Бензол подаётся в межтрубное пространство теплообменника, снабженное сегментными перегородками. В качестве хладагента используется вода, подаваемая в трубчатку, температура воды меняется от 23 °C до 28 °C. Тепловыми потерями пренебречь. Кожухотрубчатый теплообменник изготовлен из 316 труб диаметром 20×2 мм и длиной 3 м. Площадь сечения потока в межтрубном пространстве между сегментными перегородками 4,8·10-2 м2. Выполнить поверочный расчёт теплообменника и определить коэффициент запаса теплообменника по поверхности теплопередачи.
Решение
Теплагент – бензол (охлаждение) – межтрубное пространство. Хладагент – вода (нагрев).
Рассмотрим смешанный ток теплоносителей в двухходовом кожухотрубчатом теплообменнике (рис. 26).
t
t1н = 75 °C
Теплагент – бензол (охлаждение) |
δt1 = 45 К |
|
МИВ |
||
|
||
|
t1к = 30 °C |
|
|
t2к = 28 °C |
|
|
δt2 = 5 К |
|
Хладагент – вода (нагрев) |
|
|
МИВ |
t2н = 23 °C |
|
|
||
|
L |
Рис. 26. Профиль температур теплоносителей по длине труб кожухотрубчатого холодильника при смешанном токе
82
Изменения температур теплоносителей:
t1 t1н t1к 75°С 30°С 45К, t2 t2к t2н 28°С 23°С 5К.
Среднее логарифмическое значение движущей силы:
A |
t 2 |
t 2 |
|
452 52 |
45,28К, |
|
1 |
2 |
|
|
|
B t1н t1к t2к t2н 75 30 28 23 54 К ,
t |
|
|
|
A |
|
|
45,28К |
|
18,62К. |
|
ср |
ln |
B A |
|
ln54 |
К 45,28 |
К |
||||
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
К 45,28 |
|
|
|
|
|
|
B A |
|
|
54 |
К |
|
Поскольку t1 t2 , среднее значение температуры хладагента:
t |
2ср |
t |
2ср.ар. |
|
t2н t2к |
28°C 23°C 25,5°C. |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Среднее значение температуры теплагента: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
среднее арифметическое t |
|
|
|
t1н t1к 75°C 30°C 52,5°C, |
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1ср.ар. |
|
|
2 |
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
среднее интегральное t1ср t2ср |
tср 25,5°С 18,62К 44,12°C. |
|||||||||||||||||||||||||||
Массовый расход теплагента: m1 |
1000 |
кг |
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
10 т ч 3600 |
|
тс |
2,778кг с. |
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ч |
|
|
|
|
Теплоёмкость |
теплагента |
|
|
при |
средней |
|
арифметической |
температуре |
||||||||||||||||||||
t |
|
|
|
52,5°C: |
c |
1809,3 |
|
Дж |
|
[2, с. 18]. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
кг К |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
1ср.ар. |
|
|
|
|
|
1ср |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Расход тепловой энергии, выделившейся при охлаждении теплагента: |
||||||||||||||||||||||||||||
Q |
m c |
|
|
t |
t |
|
|
2,778кг с 1809,3 |
Дж |
|
|
75°C 30°C |
|
226,2кВт. |
||||||||||||||
|
|
|
кг К |
|||||||||||||||||||||||||
|
1 |
|
|
|
1 1ср |
|
1н |
1к |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
При отсутствии тепловых потерь: Q Q2 Q1 |
226,2кВт. |
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
Теплоёмкость |
хладагента |
|
|
при |
средней |
|
арифметической |
температуре |
||||||||||||||||||||
t |
|
|
|
25,5°C: c |
|
4179,4 |
Дж |
[2, с. 4]. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
2ср.ар. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
1ср |
|
|
|
|
|
кг К |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Массовый расход хладагента (охлаждающей воды):
m2 |
Q |
|
|
226,2 103 Вт |
10,82кг с. |
||
2 |
|
|
|
|
|||
c2ср t2к |
t2н |
4179,4 |
Дж |
28°C 23°C |
|||
|
|
кг К |
|
Физические свойства теплагента (бензола) при его средней интегральной температуре t1ср 44,12°C:
плотность 1 853,2кгм3 [2, с. 14],
83
вязкость 1 0,4651мПа с [2, с. 15],
теплоёмкость c1 1782,8 кгДжК [2, с. 18], теплопроводность 1 0,1388 мВтК [2, с. 19].
Физические свойства хладагента (воды) при его средней интегральной температуре t2ср 25,5°C:
плотность 2 996,9кгм3 [2, с. 4], вязкость 2 0,8807 мПа с [2, с. 4],
теплоёмкость c2 4179,4 кгДжК [2, с. 4], теплопроводность 2 0,6066 мВтК [2, с. 4].
Эквивалентный диаметр для потока теплагента (бензола) в межтрубном пространстве, снабжённом сегментными перегородками, принимают равным наружному диаметру труб: dэ1 dн 20мм 0,02м.
Площадь сечения потока теплагента в межтрубном пространстве между
сегментными перегородками дано в условии задачи, а также может быть |
|||
найдена по [4, с. 51, табл. 2.3]: S 4,8 10 2 м2 . |
|
||
1 |
|
|
|
Объёмный расход теплагента: V |
m1 |
2,778кг с |
3,256 10 3 м3 с. |
1 |
|
853,2кг м3 |
|
|
1 |
|
|
Скорость течения теплагента в межтрубном пространстве между сегментными перегородками:
v |
V |
|
3,256 10 3 м3 с |
0,06783м с. |
|
1 |
4,8 10 2 |
м2 |
|||
1 |
S |
|
|
||
|
1 |
|
|
|
|
Критерий (число) Рейнольдса для теплагента:
Re |
v d |
|
|
0,06783м с 0,02м 853,2кг м3 |
2488. |
||||||||
1 |
э1 1 |
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
1 |
|
|
|
|
|
|
|
0,4651 10 3 Па с |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Критерий (число) Прандтля для теплагента: |
|
||||||||||||
Pr |
c |
|
1782,8 |
Дж |
0,4651 10 3 Па с |
5,976. |
|
||||||
кг К |
|
||||||||||||
|
1 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
1 |
|
|
|
|
|
|
|
0,1388 |
Вт |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
м К |
|
|
||||
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
При течении в межтрубном пространстве теплообменника с сегментными перегородками в режиме развивающейся турбулентности при 5 < Re < 1000 для любого размещения труб в пучке критерий Нуссельта рассчитывается по формуле [1, с. 156, ф-ла 4.29; 4, с. 50, ф-ла 2.17; 7, с. 26,
84
|
|
Pr |
0,25 |
|
ф-ла 2.42]: |
Nu 0,56 Re0,5 Pr0,36 |
. |
||
|
||||
|
|
Prст |
При течении в межтрубном пространстве теплообменника с сегментными перегородками в режиме турбулентного течения при Re > 1000 для шахматного размещения труб в пучке по вершинам равностороннего треугольника критерий Нуссельта рассчитывается по формуле [1, с. 156, ф-ла
4.31; 4, с. 50, ф-ла 2.16; 7, с. 26, ф-ла 2.43]:
|
Pr |
0,25 |
|
Nu 0,36 Re0,6 Pr0,36 |
. |
||
|
|||
|
Prст |
В этих формулах коэффициент, учитывающий средний угол атаки поверхности пучка труб обтекающим потоком, для многократно-перекрёстного движения теплоносителя εφ = 0,6.
Критерий (число) Нуссельта для теплагента при Re1 2488 1000:
|
|
|
|
Pr1 |
0,25 |
|
|
Nu1 0,36 Re10,6 Pr10,36 |
|
|
|||||
Prст1 |
|||||||
|
|
|
|
|
|
||
0,36 0,6 24880,6 5,9760,36 |
1 44,82, |
||||||
|
Pr1 |
0,25 |
1 в соответствии с рекомендациями [4, с. 68]. |
||||
где |
|
||||||
Prст1 |
|||||||
|
|
|
|
|
|
Коэффициент теплоотдачи от теплагента к стенке:
|
|
|
|
0,1388 |
Вт |
|
Вт |
|
||
|
Nu |
44,82 |
м К 311,0 |
. |
||||||
|
1 |
|
|
|||||||
|
|
|
м2 К |
|||||||
1 |
1 d |
э1 |
|
0,02м |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Эквивалентный диаметр для потока хладагента в трубах теплообменника: dэ2 dвн dн 2 м 20мм 2 2мм 16мм 0,016м.
Площадь сечения потока хладагента в шестиходовом N = 6 трубном пространстве при числе труб n = 316 шт.:
S |
|
|
n |
dвн |
2 |
|
316 |
3,142 |
0,016м 2 |
1,056 10 2 м2 . |
|
||||
2 |
N |
|
6 |
4 |
|
|
|||||||||
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Объёмный расход хладагента: V |
m2 |
|
10,82кг с |
1,086 10 2 м3 с. |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
2 |
|
996,9кг м3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Скорость течения хладагента в трубах теплообменника:
85
v |
|
|
V |
|
1,086 10 2 м3 |
с |
1,025м с. |
|
|
|
||||||||||||
2 |
|
S |
2 |
|
1,056 |
10 2 |
м2 |
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Критерий (число) Рейнольдса для хладагента: |
|
|||||||||||||||||||||
Re |
2 |
|
|
v2 dэ2 |
2 |
1,025м с 0,016м 996,9кг м3 |
18568. |
|||||||||||||||
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,8807 10 3 |
Па с |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Критерий (число) Прандтля для хладагента: |
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
c |
|
|
|
4179,4 |
Дж |
|
0,8807 10 3 |
Па с |
6,067, |
|||||||||
Pr |
|
|
кг К |
|||||||||||||||||||
|
|
2 |
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
2 |
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
0,6066 |
Вт |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
м К |
|
|
|
|
или, учитывая, что хладагентом является вода критерий (число) Прандтля при t2ср 25,5°C может быть найдено по [2, с. 4].
Выбор расчётной формулы для критерия (числа) Нуссельта для хладагента
[1, с. 155, табл. 4.4]:
Re2 29484 10000 |
|
ф-ла 4.17 [1,с.152]. |
||||||||||||
Критерий (число) Нуссельта для хладагента: |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Pr2 |
0,25 |
|
|
Nu2 0,021 l Re2 |
0,8 Pr20,43 |
|
|
|||||||||||
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Prст2 |
|
||
0,021 1 185680,8 6,0670,43 1 118,6, |
|
|||||||||||||
где |
|
1 при |
L |
|
|
|
3м |
187,5 50, |
||||||
l |
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
dэ1 |
|
0,016м |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
Pr1 |
|
0,25 |
1 в соответствии с рекомендациями [4, с. 68]. |
||||||||||
|
|
|
||||||||||||
|
|
|||||||||||||
|
Prст1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Коэффициент теплоотдачи от стенки к хладагенту:
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,6066 |
Вт |
|
Вт |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
Nu |
|
2 |
118,6 |
м К 4495 |
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
2 |
2 d |
|
|
|
|
м2 К |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
э2 |
|
|
0,016м |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Загрязнения поверхности стенки [1, с. 531, табл. XXXI]: |
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
со стороны теплагента (органические жидкости) |
1 |
|
5800 |
Вт |
|
||||||||||||||||||||
R |
|
м2 |
К |
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
з1 |
|
|
|
|
|||
со стороны хладагента (вода загрязнённая среднего качества) |
|
|
|
||||||||||||||||||||||
1 |
|
1860 2900 |
Вт |
|
, берём середину интервала |
|
1 |
2380 |
Вт |
. |
|||||||||||||||
|
R |
|
м2 К |
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R |
|
м2 К |
|||||||||
|
|
з2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
з2 |
|
|
|
|
Теплопроводность стальной стенки трубок теплообменника:
86
для неагрессивных жидкостей берём углеродистую сталь ст 46,5 мВтК ,
для агрессивных жидкостей (органические кислоты, нитробензол) берём нержавеющую сталь ст 17,2 мВтК .
Коэффициент теплопередачи для цилиндрической стенки (межтрубное пространство – бензол – н 1, dн 0,02м, Rз н Rз1;
трубное пространство – вода – вн 2 , dвн 0,016м, Rз вн Rз2 ):
|
1 |
|
dн |
|
dн |
|
dн |
|
1 |
|
dн |
1 |
|
|
K |
Rз н |
ln |
Rз вн |
|
|
|
|
|||||||
|
2 ст |
|
|
|
|
|||||||||
|
н |
|
dвн |
dвн |
вн dвн |
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
0,02м |
|
|
0,02м |
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ln |
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
311,0 |
Вт |
|
|
5800 |
|
Вт |
|
|
2 |
46,5 |
|
Вт |
|
|
0,016м |
|
|
|
|||||||||||
|
2 |
|
|
2 |
|
|
2 |
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
м К |
|
|
м К |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
м К |
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
0,02м |
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
0,02м |
|
1 |
235,9 |
Вт |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
. |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
2380 |
|
Вт |
|
|
0,016м |
|
4495 |
Вт |
|
|
0,016м |
|
|
м2 К |
|
|||||||||||||||
|
|
2 |
|
2 |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
м К |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
м К |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Расчётная площадь поверхности теплопередачи:
A |
Q |
|
|
|
226,2 103 Вт |
51,50м2 . |
|||||
K t |
ср |
235,9 |
Вт |
18,62 К |
|||||||
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
2 |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
м К |
|
|
|||
Площадь поверхности теплообменника: |
|||||||||||
A |
n d |
н |
L 316 3,142 0,02м 3м 59,56м2 . |
||||||||
ТО |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Запас по поверхности теплопередачи: |
|||||||||||
|
|
A A |
|
|
59,56м2 51,50м2 |
||||||
|
|
ТО |
|
|
|
|
|
|
100% 15,7%. |
||
|
A |
|
|
51,50м2 |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
Для данного типа теплообменных аппаратов допустимый запас по поверхности теплопередачи должен составлять от 5 до 30 %. Таким образом, данный теплообменник обеспечивает охлаждение жидкости до необходимой температуры.
87
ПОДБОР И РАСЧЁТ КОЖУХОТРУБЧАТОГО ИСПАРИТЕЛЯ
Задача 42
В кубе-кипятильнике производится испарение 4 т/ч бензола при нормальном атмосферном давлении. В качестве теплагента используется насыщенный водяной пар, подаваемый под избыточным давлением 0,2 кгс/см². Тепловыми потерями пренебречь. Подобрать теплообменник и выполнить его поверочный расчёт.
Решение
Теплагент – насыщенный водяной пар (конденсация). Хладагент – жидкий бензол (кипение).
Абсолютное давление насыщенного водяного пара: p1 pатм p1
760мм рт.ст. 133,32 ммПарт.ст. 0,2кгссм2 98100 Паат
120943Па.
Температура и удельная теплота конденсации насыщенного водяного пара: t1 105,0°C, r1 2243,9кДжкг [2, c. 7].
Температура кипения и удельная теплота испарения хладагента (бензола) при нормальном атмосферном давлении:
t2 80,1°C [2, c. 13], r2 394,4кДжкг [2, c. 20].
Движущая сила в случае постоянства температур теплоносителей равна их
разности: t t1 |
t2 105,0°С 80,1°C 24,9К=24,9°C. |
||
Массовый расход хладагента: |
|||
1000 |
кг |
||
m2 4 т ч 3600 |
|
тс |
1,111кг с. |
|
|
||
|
|
ч |
Расход тепловой энергии на испарение хладагента (бензола):
Q2 m2 r2 1,111кгс 394,4кДжкг 438,2кВт.
При отсутствии тепловых потерь: Q Q1 Q2 438,2кВт. Массовый расход теплагента (насыщенного водяного пара):
m1 |
Q1 |
|
438,2кВт |
0,1953кг с 703,1кг ч. |
|
r |
2243,9кДж кг |
||||
|
|
|
|||
|
1 |
|
|
|
88
Физические свойства парового конденсата при температуре t1 105,0°C:
плотность 1 954,7кгм3 [2, с. 4], вязкость 1 0,2681мПа с [2, с. 4], теплопроводность 1 0,6802 мВтК [2, с. 4].
Физические свойства халадагента при t2 80,1°C:
плотность жидкости 2 813,6кгм3 [2, с. 14], вязкость жидкости 2 0,3177 мПа с [2, с. 15],
теплоёмкость жидкости c2 1905,4 кгДжК [2, с. 18], теплопроводность жидкости 2 0,1270 мВтК [2, с. 19],
поверхностное натяжение 2 21,18мДжм2 [2, с. 16], молярная масса M2 78,114кгкмоль [2, c. 13], плотность пара
|
M |
T |
p |
|
78,114 |
кг |
|
273,15К |
3 |
|
||||
|
|
кмоль |
|
|||||||||||
2G |
|
2 |
0 |
|
|
|
|
|
|
1 2,696кг м |
. |
|||
Vm0 |
T |
p0 |
22,4 |
м3 |
|
273,15 80,1 К |
|
|||||||
|
|
кмоль |
|
|
Коэффициент теплоотдачи при конденсации пара на вертикальных поверхностях:
|
2 |
|
r1 |
g |
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
1 |
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
1 1,21 13 L |
q a q |
|
, |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
1 |
|
|
К |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
где a 1,21 13 |
2 |
r g |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
L |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
1 |
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
954,7 |
|
кг |
|
2 2243,9 103 Джкг |
9,81м с2 |
|
1 |
1 |
|||||||||
|
|
Вт |
|
3 |
|
|
|
3 |
|
||||||||||||||||
1,21 0,6802 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
м |
|
|
|
|
|
|
|
L |
3 3,468 105 |
L 3 . |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,2681 10 3 Па |
с |
|
|||||||||||||
|
|
м К |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
При различной высоте труб получаем различные значения a: |
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
L 3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
L = 2 м, a 3,468 105 |
3,468 105 2м 3 |
2,753 |
105; |
|
|||||||||||||||||||||
L = 3 м, a 3,468 105 |
3м |
1 |
2,405 105 ; |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
3 |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
L = 4 м, a 3,468 105 |
3м |
1 |
2,185 105 . |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
3 |
|
|
|
|
|
|
|
Коэффициент теплоотдачи при кипении в трубах:
89
|
|
780 |
|
1,3 |
|
0,5 |
|
|
|
0,06 |
q0,6 |
, |
|
2 |
|
2 |
2 |
|
|
2G |
|
||||||
0,5 |
r 0,6 |
c |
0,3 0,3 |
|
|
|
0,66 |
||||||
|
|
|
2 |
2 |
2 |
2 |
|
|
2G 0 |
|
|
где 2G 0 – плотность пара при нормальном атмосферном давлении.
Поскольку по условию задачи теплообменник работает при нормальном атмосферном давлении, то 2G 0 2G и формула для коэффициента тепло-
отдачи при кипении в трубах принимает вид:
2 |
780 |
|
|
21,3 2 |
0,5 |
|
|
|
|
|
|
q |
0,6 |
b q |
0,6 |
, |
|
|
|
|||||||
0,5 |
r 0,6 c 0,3 0,3 |
0,6 |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
2 |
|
2 |
2 |
|
2 |
|
|
2G |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
где b 780 |
|
1,3 |
0,5 |
|
|
|
0,6 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
0,5 r 0,6 c |
0,3 0,3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
2 |
2 |
|
2 |
|
|
|
2G |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
0,1270 |
Вт |
1,3 |
813,6 |
кг |
0,5 |
|
|
|
|
|
||||||||||
780 |
|
|
|
м К |
м3 |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
21,18 10 3 Джм2 |
0,5 394,4 103 |
Джкг 0,6 |
1905,4 |
Дж |
0,3 |
|||||||||||||||||||||
кг К |
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2,942. |
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
0,3177 10 3 |
Па с 0,3 2,696 |
кг |
0,6 |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
м3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
При кипении в трубах кожухотрубчатые испарители могут быть только одноходовыми. Тогда, в соответствие с таблицей [4, с. 57, табл. 2.9], у всех испарителей диаметр труб составляет 25×2 мм, откуда:
dн 25мм 0,025м, dвн dн 2 25мм 2 2мм 21мм 0,021м.
С учётом цилиндрической стенки корректируем коэффициент b:
d |
н |
0,6 |
|
d |
|
d |
н |
0,4 |
|
25мм 0,4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
b b |
|
|
|
|
вн b |
|
|
2,942 |
|
|
|
2,744. |
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
dвн |
|
dн |
dвн |
|
21мм |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
Загрязнения поверхности стенки [1, с. 531, табл. XXXI]: |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
со стороны теплагента (насыщенный пар) |
1 |
5800 |
|
Вт |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
м2 К |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
з1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
со стороны хладагента (органическая жидкость) |
1 |
|
5800 |
|
|
Вт |
. |
|
|
||||||||||||||||
R |
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
м2 К |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
з2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Теплопроводность стальной стенки трубок теплообменника: |
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
для неагрессивных жидкостей берём углеродистую сталь |
|
|
46,5 |
Вт |
, |
||||||||||||||||||||
ст |
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
м К |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
для агрессивных жидкостей (органические кислоты, нитробензол) берём
90