7. Расчет подогревателя исходной смеси

7.1 Тепловая нагрузка подогревателя исходной смеси.

Т.к. агрегатное состояние исходной смеси в основном подогревателе не меняется, тепловую нагрузку рассчитывают по уравнению /9, с.31/

где: С_F =2780Дж/кг*С⁰ – удельная теплоемкость исходной смеси при её средней температуре t_cp,F=0,5*(t_F^K+ t_F^H)=62⁰C

t_F^K - температура кипения исходной смеси в основном подогревателе, ⁰С.

7.2 Расход греющего пара

Исходная смесь нагревается до температуры кипения за счет теплоты, выделяющейся при конденсации греющего пара. Допуская, что конденсация греющего пара происходит полностью и без охлаждения конденсата, расход греющего пара определяют из уравнения: /9, с.32/.

где: r=2265.86 Дж/кг – теплота конденсации греющего пара;

Ψ=1 – степень сухости насыщенного водяного пара.

7.3 Средняя разность температур теплоносителей в подогревателе исходной смеси.

В соответствии со схемой изменения температуры теплоносителей в основном подогревателе при >2 средняя разность температур теплоносителей рассчитывают как среднюю логарифмическую по уравнению /9, с.32/

t

119.6 119.6

103,44

20

F

Рис. 7.1 Изменение температур теплоносителей.

7.4 Ориентировочный выбор теплообменника.

В подогревателе исходная смесь, как более коррозионная среда, проходит в трубном пространстве, а насыщенны водяной пар конденсируется в межтрубном пространстве на пучке вертикальных труб. В соответствии с рекомендациями при вынужденном движении теплоносителей принимают ориентировочное значение коэффициента теплопередачи от конденсирующегося насыщенного пара к органической жидкости /2, с.47, табл. 2,1/ К_ор=340Вт/м²*⁰С. Ориентировочная поверхность теплообмена основного подогревателя составляет:

В соответствии с /2, с.51, табл. 2,3/ поверхность, близкую к ориентировочной, имеет теплообменник с диаметром кожуха D_K=400мм; диаметром труб 25х2мм; числом ходов Z=1; общим числом труб N=111; длиной труб L=2м и поверхностью теплообмена F=17м².

7.5 Уточненный расчет поверхности теплообмена подогревателя.

Линейная скорость движения исходной смеси в трубном пространстве выбранного теплообменника:

где:

n=N/z – число труб, приходящееся на один ход трубного пространства;

d=0,021м – внутренний диаметр труб;

ρ­_F=1049 кг/м³ – плотность исходной смеси при её средней температуре.

Критерий Рейнольдся для исходной смеси:

где μ_F=0,315*10^-3Па*с – динамический коэффициент вязкости исходной смеси при её средней температуре.

Режим течения исходной смеси в трубном пространстве ламинарный. Для расчета коэффициента теплоотдачи воспользуемся формулой

где μ_cn – динамический коэффициент исходной смеси при средней температуре стенки трубы, Па*с.

Критерий Нуссельта для исходной смеси:

Коэффициент теплоотдачи со стороны исходной смеси:

В межтрубном пространстве основного подогревателя конденсируется насыщенный водяной пар на вертикальном пучке труб.

При пленочной конденсации водяного пара на цилиндрической вертикальной поверхности высотой L и ламинарном течении пленки конденсата коэффициент теплоотдачи рассчитывают:

где:

t_конд – температура конденсации насыщенного водяного пара, ⁰С;

t_ст – температура стенки трубы, ⁰С;

λ – коэффициент теплопроводности конденсата, Вт/(м*⁰С)

μ – динамический коэффициент вязкости, Па*с;

ρ – плотность конденсата, кг/м³;

r – удельная теплота конденсации насыщенного водяного пара, Дж/кг;

L – длина (высота) трубы, м.

значения физико-химических констант конденсата λ, ρ, μ определяют при средней температуре пленки конденсата , ⁰С. Удельную теплоту конденсации определяют при температуре конденсации t_конд.

7.5.1 Определение температуры стенок теплообменной трубы.

Т.К. необходимые для расчета коэффициентов теплоотдачи α_F и α_П температуры стенок теплообменной трубы со стороны исходной смеси t_ст,F и со стороны конденсирующегося насыщенного пара t_ст,п не известны, то их определяют методом последовательных приближений. Для определения температуры стенок t_ст,п и t_ст,F рис. 7.2

Конденсирующийся Исходная

пар смесь

119,6 q

61,72

при установившемся процессе теплообмена используют систему уравнений:

Суммарное термическое сопротивление ∑r стальной стенки и загрязнений на ней равно:

- термическое сопротивление стальной стенки теплообменной трубы.

r_загр.f=1,2*10^-4 - термическое сопротивление загрязнений со стороны исходной смеси.

7.5.2 Первое приближение.

Задаются величиной t_ст,п, которая должна находится в пределах между t_конд=119,6⁰С и t_ст,F=103,44⁰С. Т.К очевидно, что α_П>α_F, t_ст,п будет ближе к 119,6⁰С. Задаются t_ст,п=115⁰С и рассчитывают удельный поток q_п, предварительно определив коэффициент теплоотдачи α_п со стороны конденсирующегося пара:

Константы μ, ρ, λ взяты при средней температуре пленки конденсата

, а константа r – при температуре конденсации t_конд=119,6⁰С.

Разность температур:

Температура стенки t_ст,F со стороны исходной смеси:

Динамический коэффициент вязкости исходной смеси при температуре стенки t_ст,F=99,81⁰С.

μ_ст,f=0,316*10^-3Па*с

Коэффициент теплоотдачи со стороны исходной смеси:

Удельный тепловой поток:

Средний удельный поток:

Расхождения между значениями тепловых потоков большое, поэтому выполняют второе приближение.

7.4.3 Второе приближение.

Задаются величиной t_ст,п, которая должна находится в пределах между t_конд=119,6⁰С и t_ст,F=103,44⁰С. Т.К очевидно, что α_П>α_F, t_ст,п будет ближе в 119,6⁰С. Задаются t_ст,п=119⁰С и рассчитывают удельный поток q_п, предварительно определив коэффициент теплоотдачи α_п со стороны конденсирующегося пара:

Константы μ, ρ, λ взяты при средней температуре пленки конденсата

, а константа r – при температуре конденсации t_конд=119,6⁰С.

Разность температур:

Температура стенки t_ст,F со стороны исходной смеси:

Динамический коэффициент вязкости исходной смеси при температуре стенки t_ст,F=117,26⁰С.

μ_ст,f=0,194*10^-3Па*с

Коэффициент теплоотдачи со стороны исходной смеси:

Удельный тепловой поток:

Средний удельный поток:

Расхождения между значениями тепловых потоков большое, поэтому выполняют третье приближение.

7.5.4 Третье приближение.

ТАБЛИЦА 7.1

Зависимость q-t_ст

t	qп	qf
119	4,2	5,7
115	38,7	3,6

Рис.7.1 Графическое отображение зависимости q-t_ст.

Точка пересечения прямых q_п и q_F дает значение температуры стенки t_ст,п=118,7⁰С. Принимают эту температуру в качестве исходной для третьего приближения.

Коэффициент теплоотдачи α_п со стороны конденсирующегося пара:

Константы μ, ρ, λ взяты при средней температуре пленки конденсата

, а константа r – при температуре конденсации t_конд=119,6⁰С.

Разность температур:

Температура стенки t_ст,F со стороны исходной смеси:

Динамический коэффициент вязкости исходной смеси при температуре стенки t_ст,F=116,14⁰С.

μ_ст,f=0,268*10^-3Па*с

Коэффициент теплоотдачи со стороны исходной смеси:

Удельный тепловой поток:

Средний удельный поток:

Отклонение удельного теплового потока от среднего удельного теплового потока:

Что находится в пределах обычной точности технических расчетов.

7.5.5 Определение коэффициента теплопередачи.

Так как отношение d/d_тр=0,021/0,025=0,84>0,5, рассчитываем коэффициент теплопередачи по формуле для плоской стенки:

7.5.6 Необходимая поверхность теплообмена. Выбор теплообменника.

Необходимую поверхность теплообмена определяют по уравнению теплопередачи:

На основании уточняющего расчета в качестве основного подогревателя выбирают /2, с.51, табл.2.3/ кожухотрубный теплообменник с параметрами:

Диаметр кожуха: 800 мм

Диаметр труб: 25х2

Число ходов: 4

Общее число труб: 404

Длина труб: 2 м

Номинальная поверхность: 63 м²

При этом запас поверхности теплообмена составляет: