2.2. Определим коэффициент теплопередачи.

2.2.1. Гидравлический диаметр каналов для движения воды и бензола

d=4S/Р=4*В_к*в/(2(В_к+в))=4*0,5*0,01/(2*0,51) = 0,0196м=19,6м

Здесь S и Р – площадь поперечного сечения канала и его периметр соответственно.

2.2.2. Коэффициент теплоотдачи конденсирующегося бензола определяют по зависимости [1].

альфа_б=А/⁴√d*∆t_б

где d-гидравлический диаметр канала;

∆t_б – температурный напор от конденсирующихся паров бензола к стенке канала со стороны бензола;

А – коэффициент, зависящий от физических свойств конденсирующегося бензола и от скрытой теплоты его парообразования. Зависимость для определения коэффициента А приведена далее.

Дальнейший расчёт проводим последовательными приближениями, задаваясь в каждом новом приближении температурой стенки канала со стороны бензола. Каждое приближение заканчиваем сравнением заданного и полученного значений температуры стенки канала со стороны бензола.

Приближение №1.

Принимаем температуру стенки канала со стороны бензола равной t_ст1 = 57,9⁰C

Тогда, ∆t_б = t_к – t_ст1 = 80,1 – 57,9 = 22,2⁰C – температурный напор от конденсирующихся паров бензола к стенке канала, а средняя температура плёнки конденсирующегося бензола равна

t_п = (t_к + t_ст1)/2 = (80,1+57,9)/2 = 69⁰C

В соответствии с [1]

А=С^0,75*r^0,25, где С - коэффициент, зависящий от физических параметров конденсата бензола (от температуры его насыщенных паров).

В нашем случае С=3423 [1]. В курсовой работе допускается принимать это значение для всех вариантов заданий.

Тогда,

альфа_б=А/⁴√d∆t_,б = 3423^0,75*94,5^0,25/⁴√0,0196*22,2 = 1395/0,812 = = 1718ккал/м²часК = 1998Вт/м²К

Для определения коэффициента теплоотдачи к воде определим её режим течения.

Число Рейнольдса

Re=wdρ/μ=wdγ/μg=(0,525*0,0196*1000)/(0,854*1,02*10^-4*9,81) = 12042

В этой зависимости

μ = 0,854сП=0,854*1,02*10^-4 = 87,108*10^-6кг*с/м²-динамический коэффициент вязкости воды при её средней температуре t=27,2⁰C (таблица №1 или [2]; перевод из единиц “сантипуаз” в “кг*с/м² технической системы единиц” см. в [3]).

Режим течения турбулентный.

Для турбулентного режима течения воды коэффициент теплоотдачи определим по зависимости [1].

альфа_в=А₅w^0,8_в/d^0,2,

где А₅=1860 (таблица№3, Приложение).

альфа_в=1860*0,525^0,8/0,0196^0,2=2439ккал/м²часК=2838 Вт/м^2КК

Термические сопротивления загрязнений канала приведены в задании. Термическое сопротивление загрязнения со стороны бензола равно R_загр.б = =0,0001м²часК/ккал, а со стороны воды - R_загр.в = 0,0007м²часК/ккал.

Определим термическое сопротивление стальной спирали, принимая её толщину равной δ = 2,5мм, а коэффициент теплопередачи стали равным λ = 40 ккал/м*час*К

R_ст= б/λ = 0,0025/40 = 0,0000625м²часК/ккал

Тогда, коэффициент теплопередачи спирального теплообменника равен

к= 1/(1/альфа_б+R_затр.б+R_ст+R_затр.в+1/альфа_в) =

= 1/(1/1718+0,0001+0,0000625+0,0007+1/2439) =

=1/(0,000582+0,0001+0,0000625+0,0007+0,00041)= =539,2ккал/м²часК=627Вт/м²К

Необходимая площадь поверхности нагрева спирального теплообменника

F=Q/к∆t= 94500/(539,2*52,9)=3,25м²

Определяем температуру стенки канала в первом приближении

t_ст1 = t_к – Q/(F*альфа_б) = 80,1 – 94500/(3,25*1718) = 63,18⁰C

Так как полученное значение температуры стенки канала заметно отличается от заданного, проводим расчёт во втором приближении.

Приближение №2.

Принимаем температуру стенки канала со стороны бензола равной t_ст1 = 63,2⁰C

Тогда, температурный напор на плёнке бензола равен

∆t_б = t_к – t_ст1 = 80,1 – 63,2 = 16,9⁰C,

а средняя температура конденсирующегося бензола равна

t_п = (t_к + t_ст1)/2 = (80,1+63,2)/2 = 71,65⁰C

А=С^0,75*r^0,25, где С - коэффициент, зависящий от физических параметров конденсата бензола (от температуры его насыщенных паров). Принимаем С=3423

Тогда,

альфа_б=А/⁴√d∆t_,б=3423^0,75*94,5^0,25/⁴√0,0196*16,9 =

= 1839ккал/м²часК = 2140Вт/м²К

Коэффициент теплоотдачи к воде был определён в приближении №1

альфа_в = 2838 Вт/м^2КК

Термические сопротивления загрязнений канала и стальной спирали принимаем такими же, как и в приближении №1.

Тогда, коэффициент теплопередачи спирального теплообменника равен

к = 1/(1/альфа_б+R_затр.б+R_ст+R_затр.в+1/ альфа_в) =

= 1/(1/1839+0,0001+0,0000625+0,0007+1/2439) =

=1/(0,000544+0,0001+0,0000625+0,0007+0,00041)= =550,6ккал/м²часК=641Вт/м²К

Необходимая площадь нагрева спирального теплообменника

F = Q/(к*∆t) = 94500/(550,6*52,9)=3,24м²

Определяем температуру стенки канала во втором приближении

t_ст1 = t_к – Q/(F*альфа_б) = 80,1 – 94500/(3,24*1839) = 64,2⁰C

Так как полученное значение температуры стенки канала со стороны бензола близко к заданному во втором приближении, то дальнейшие приближения не проводим.

3. По данным таблицы №9 (Приложение) минимальная поверхность серийных спиральных теплообменников составляет 15м². Поэтому, определяем размеры проектируемого теплообменника расчетом.