Тепловой расчет

Теплообменник работает в условиях высокого давления, коррозионной среды и высоких температур. Конструкция теплообменника должна быть компактной, простой и надёжной в работе. В соответствии с этими требованиями выбираем кожухотрубчатый теплообменник с легированными стальными цельнотянутыми трубами, диаметр, длина и другие параметры принимаются согласно сортамента.

Исходя из коррозиционной активности хлорбензола, принимаем, что нагреваемый хлорбензол проходит по трубам, а водяной пар по межтрубному пространству.

Физические свойства теплоносителей при их средних температурах:

Хлорбензол:

плотность жидкости r= 1029 кг/м³,

теплопроводность l = 0,117 Вт/(м×К),

вязкость жидкости m = 0,36*10^-3 Па×с,

теплоемкость жидкости c = 1508 Дж/(кг×К),

Водяной пар:

удельная теплота конденсации r = 2120000 Дж/(кг*К),

Стенка:

теплопроводность стали l_ст = 46,5 Вт/(м×К),

тепловая проводимость загрязнений 1/r_загр.≈ 5800 Вт/(м²×К),

со стороны пара

тепловая проводимость загрязнений 1/r_загр.≈ 5800 Вт/(м²×К),

со стороны хлорбензола

теплопроводность l = 0.1095Вт/(м×К),

вязкость m =0.275*10^-3 Па×с,

теплоемкость c = 1655 Дж/(кг×К),

Температурная схема:

151,7— 151,7

30 → 130

Δt_б=121,7 Δt_м=21,7;

Рис. 5

Средняя разность температур:

Δt_ср=(Δt_б-Δt_м)/ln(Δt_б/Δt_м)=(121,7-21,7)/ln(121,7/21,7)=58^oC=58^oK; ¹

Средняя температура хлорбензола:

t₂=t₁-Δt_ср=151.7-58=93.7^oC;

Расход хлорбензола:

G₂=20000/3600=5.55 кг/с;

Объёмный расход хлорбензола:

V₂=G₂/p₂=5.55/1029=0.00539 м³/с;

Расход тепла на нагрев хлорбензола:

Q=G₂c₂(t_2к-t_2н)=5,55*1508*(130-30)=836940 Вт;

1 - [2, c 226]

Расход сухого греющего пара с учётом 5% потерь теплоты:

G₁=1.05Q/r=1.05*836940/2120*10³=0.4 кг/с;

Ориентировочно определяем величину площади поверхности теплообмена:

F=Q/K*Δt_ср=836940/500*58=28.86 м²;

Скорость течения хлорбензола при Re₂>10000 должна быть больше ω₂`:

ω₂`=10000μ₂/d₂p₂=10000*0.36*10^-3/0.021*1029=0.166 м/с;

Число труб 25х2 мм, обеспечивающих объёмный расход хлорбензола при Re₂=10000:

n`=V<sub>2</sub>/0.785d<sub>2</sub><sup>2</sup> ω<sub>2</sub>`=0.00539/0.785*0.021²*0.166=93.8;

Выбираем шестиходовой теплообменник:

F =31 м²,

D =600 мм,

N =196, (в одном ходе 32,6)

L =2 м,

S_т=1,1*10² м²,

S_м=4,5*10² м²,

n_p=14.

Значение критерия Re₂:

Re₂=10000*(n`/n)=10000*(93.8/32.6)=28773;

Критерий Приндтля для хлорбензола при 93⁰C:

Pr₂=c₂*μ₂/λ₂=1508*0.36*10^-3/0.117=4.64;

Вычисляем критерий Нусельта:

Nu₂=d_{вн. тр}*Re₂^0.8*Pr₂^0.43*(Pr₂/Pr_ст.₂)^0.25ε_l=0.021*28773^0.8*4.64^0.43*1.05*1=157;

Отношение (Pr₂/Pr_ст.₂)^0.25 принято равным 1,05 (с последующей проверкой).

Вычисляем коэффициент теплоотдачи:

α₂=Nu₂*λ₂/d_вн=157*0.117/0.021=874 Вт/(м²*К);

Коэффициент теплоотдачи при конденсации водяного пара на пучке горизонтальных труб:

В нашем случае известноG₁ =0,4 кг/с и N=196. Поэтому используем зависимость α₁=f(n, L, G) с учетом влияния примеси воздуха 0,5%

α₁=2.02*ε*ε_г* B_t(n/G₁)^1/3L^1/3=2.02*0.62*0.6*1132*(196/0.4)^1/3*L^1/3=6706

где ε-коэффициент для шахматного расположения труб в пучке и при числе рядов труб по вертикали np=14, ε=0,62; ε_г –коэффициент, зависящий от содержания воздуха в паре ε_г=0,6; B_t=1132.

Зададимся длиной труб равной 2 м. Имеем:

α₁ = 6706*2^1/3 = 8447 Вт/(м²*К);

Рассчитываем тепловую проводимость загрязнений:

со стороны греющего пара 1/r_загр.1≈ 5800 Вт/(м²*К),

со стороны хлорбензола 1/r_загр.2≈ 5800 Вт/(м²*К)

1/∑ст=1/1/5800+0,002/46,5+1/5800=2580 Вт/(м²*К);

Коэффициент теплопередачи:

K=1/1/α₁+1/∑r_ст+1/α₂=1/1/8447+1/2580+1/874=606 Вт/(м²*К);

Поверхностная плотность теплового потока:

q=K*Δt_ср=606*58=35148 Вт/м²;

Проверяем принятое значение (Pr₂/Pr_ст.₂)^0.25. Определяем:

Δt₂=q/α₂=35148/874=40^oC;

t_ст.2=t₂+Δt₂=93+40=133^oC;

Pr_ст.2=c_ст.2μ_ст.2/λ_ст.2=1655*0.275*10^-3/0.1095=4.15;

Следовательно:

(Pr₂/Pr_ст.₂)^0.25=(4,64/4,15)^0,25=1,028;

Было принято (Pr₂/Pr_ст.₂)^0.25=1,05. Разница ~ 2%. Расчет K закончен.

Расчетная площадь поверхности теплообмена:

F_р=Q/K*Δt_ср=836940/606*58=23,81 м²;

Коэффициент теплоотдачи α₁=8447 >> α₂=874 Вт/(м²*К), поэтому расчетным диаметром при определении поверхности труб следует принять d_вн=0,021 м.

Аппарат с =2 м имеет площадь поверхности теплообмена:

F=π*d*n*L=3.14*0.021*196*2=25.84 м²;

Запас площади поверхности теплообмена:

((25,84-23,81)/23,81)*100%= 8,52%;

Запас площади поверхности теплообмена достаточен.

Произведем уточненный расчет.

Уточняем скорость движения хлорбензола в трубном пространстве:

ω_в=G₁/ρ*S_т=5,55/1029*0,011=0,49 м/с;

Для определения уточненного критерия Рейнольдса находим значение d_э:

d_э=D²-n*d²_внешн./D+n*d _внешн=.0.6²-196*0.025²/0.6+196*0.025=0.043 м;

Уточненный критерий Рейнольдса:

Re_ут.=ω_в*d_э*ρ/μ=0.49*0.043*1029/0.36*10^-3=60225;

Критерий Нуссельта:

Nu=1.72*(d_э*Re_ут.)^0.6*Pr^0.33=1.72*(0.043*60225)^0.6*4.64^0.33=318;

Коэффициент теплоотдачи:

α=Nu*λ/d_э=318*0,117/0,043=865 Вт/(м²*К);

Коэффициент теплопередачи:

K=1/1/α₁+1/∑r_ст+1/α=1/1/8447+1/2580+1/865=601 Вт/(м²*К);

Площадь поверхности теплообмена:

F=Q/K*Δt_ср=836940/601*58=24 м²;

Таким образом, уточнённый расчёт поверхности теплообмена согласуется с ранее выполненным.

Запас площади поверхности теплообмена:

((25,84-24)/24)*100%=7,66%;

Уточненный расчёт закончен.