5.Тепловой и компоновочный расчёты спирального теплообменника

Задание. Произвести тепловой и компоновочный расчеты спирального теплообменника для конденсации насыщенного пара бензола с расходом G_б=1180 кг/час при атмосферном давлении.

Жидкий бензол отводится при температуре конденсации насыщенных паров. Охлаждающий агент - вода с начальной температурой –t_в¹=27⁰С и конечной –t_в¹¹=37⁰C. Термическое сопротивление поверхности теплообмена со стороны бензола – 0,0001 м²час*К/ккал, а со стороны воды - 0,0007 м²*час*К/ккал. Температура кипения бензола при атмосферном давлении t_к=80,1⁰С, а скрытая теплота парообразования бензола – r=94,5 ккал/кг.

Решение.

1. Определяем основные параметры спирального теплообменника.

Больший температурный напор ∆t_б = t_к - t_в¹ = 80,1-27 = 53,1⁰С

Меньший температурный напор ∆t_м = t_к - t_в¹¹ = 80,1-37 = 43,1⁰С

Среднелогарифмический напор

∆t=(∆t_б-∆t_м)/ℓn(∆t_б/∆t_м) = (53,1-43,1)/ℓп(53,1/43,1)=47,9⁰С

Средняя температура охлаждающей воды

t_в = t_к - ∆t=80,1 - 47,9 = 32,2⁰С

Тепловая нагрузка (теплопроизводительность)

Q=G_бr

=1180*94,5=111510ккал/час=111510*427*9,81/3600 = 129750 Вт ≈ 130 кВт

Здесь:

r = 94,5 ккал/кг - скрытая теплота парообразования бензола при атмосферном давлении;

G_б = 1180 кг/час – массовый расход бензола (задано).

Массовый расход охлаждающей воды

G_в =Q/c_р(t_в¹¹-t_в¹) =111510/(1*(37-27)) = 11151 кг/час.

Здесь с_р= 1ккал/кг*К – теплоёмкость воды при средней температуре t_в=32,2⁰С.

2. Тепловой расчет спирального теплообменника. Основные размеры канала спирального теплообменника и скорости движения теплоносителей.

2.1. Площадь поперечного сечения канала спирального теплообменника определяем по параметрам движения охлаждающей воды.

Принимаем скорость движения воды W ≈ 0,56 м/c. Тогда ориентировочная площадь поперечного сечения канала

S=G_в/(ρ*w*3600)= 11151/(1000*0,56*3600) = 0,00553 м²,

где ρ = 1000 кг/м³ – плотность воды

Примечание: при значении массового расхода воды, превышающем 10000кг/час, принимать скорость движения воды по зависимости

W ≈ 0,5 + (G_в - 10000)*0,5/10000,

а затем определять площадь поперечного сечения канала.

Принимая высоту канала равной в=10мм, получим ширину спирали

В=S/в=0,00553/0,01 = 0,553 м= 553 мм

С учетом конструктивных особенностей организации уплотнения каналов с торцов (рис.5 и рис.6, Приложение), принимаем ширину канала равной

В_к=0,5=500 мм.

Тогда, скорость охлаждающей воды равна

W_в=G_в/(3600*ρ_в*В_к*в)=11151/(3600*1000*0,5*0,01) = 0,619м/c

Для бензола принимаем такое же сечение канала S_б = S

Скорость движения бензола в каналах теплообменника

W_б=G_б/(3600*ρ_б*В_к*в) = 1180/3600*825*0,5*0,01=0,079м/c

Здесь ρ_б = 825 кг/м³ плотность жидкого бензола на линии насыщения [2].

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=19,6 м

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.