кожухотрубчатый теплообменник. вариант 0. Вариант 0 Задание
 Скачать 0.91 Mb.
|
|
Вариант 0 Задание Рассчитать двухходовой теплообменник (конденсатор) для конденсации 2,4 кг/с паров ацетона при атмосферном давлении путём охлаждения водой от начальной температуры 𝑡′в.нач = 18°𝐶 до конечной 𝑡′′в.кон = 38°𝐶. Дано: Ацетон G = 2,4 [кг/с] 𝑡′в,нач = 18 [°𝐶] 𝑡′′в,кон = 38 [°𝐶] p = 1 атм Определить: 1. Поверхность теплообмена F и подобрать по каталогу теплообменник; 2. Расход охлаждающей воды 1. Выбор типа теплообменника и условий его работы. Выбираем кожухотрубный теплообменник (горизонтально расположенный), в межтрубное пространство которого поступает пар (метанол) и конденсируется на наружной поверхности труб. Вода подается в трубное пространство, причем для увеличения скорости течения по трубам сразу выбираем двухходовой теплообменник (при переходе с одноходового на двухходовой теплообменник увеличится критерий Нуссельта, называемый критерием теплоотдачи – он характеризует её интенсивность – именно поэтому нужно увеличить число ходов в два раза). Заметим, что коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара не зависит от скорости его движения.  Рис. 1: Кожухотрубный двухходовой теплообменник (конденсатор) 2. Выбор теплофизических характеристик воды и ацетона (жидкости – после конденсации). Теплофизические величины для воды находятся по справочнику при средней температуре:  Для метанола – при атмосферном давлении (р = 1 атм). Таблица 1: теплофизические характеристики для воды и ацетон при данных условиях
3. Порядок расчета теплообменника. Поверхность теплообмена найдем из основного уравнения теплопередачи:  Предварительно найдём тепловую нагрузку Q теплообменника, среднюю движущую силу процесса теплопередачи Δ и, самое главное, коэффициент теплопередачи К. 4. Определение тепловой нагрузки Q. Тепловая нагрузка Q связана с количеством (потоком) сероуглерода G соотношением:  G – Массовый расход ацетона, r – скрытая теплота парообразования.  5. Определение необходимого расхода воды. Массовый расход воды определяется по формуле:  6. Определение среднего температурного напора (средней движущей силы). Вдоль поверхности теплообмена F температура пара и получаемого конденсата неизменна и равна: Т=64,7°С. Температура воды увеличивается от  До  41° .    Рис.2: Определение среднего температурного напора Средне логарифмическая разность температур теплоносителей равна:  7. Расчет коэффициента теплопередачи К. В случае теплопередачи от конденсирующегося пара к потоку воды расчет ведем по формуле:  Коэффициент рядности εр при конденсации пара на пучке труб учитывает ухудшение теплоотдачи на нижележащих трубах, связанное с большей толщиной пленки. Итерационный расчет К возможен при известных значениях α2, dст, lст, εр и А. 7.1. Расчет коэффициента теплоотдачи α2 от стенки к воде. Для выбора расчетной формулы необходимо установить режим течения воды в трубах, то есть рассчитать значение критерия Рейнольдса:  На данном этапе расчета не известны ни диаметр труб, ни скорость течения воды в них. Необходим итерационный расчет. Действовать лучше по следующей схеме: сначала задаться ориентировочным значением коэффициента теплопередачи Кор, затем рассчитать на основе этого коэффициента ориентировочную поверхность теплообмена по следующей формуле:  И, наконец, выбрать теплообменник по каталогу и узнать его основные характеристики, необходимые для последующего расчета. Примем Кор=600 Вт/(м^2·К)  По каталогу выбираем двухходовой теплообменник с поверхностью теплообмена Fрасч=38 м2 Таблица 2: основные характеристики теплообменника из каталога
Площадь сечения всех трубок Fтр=0,038 м2, а для одного хода, соответственно:  Внутренний диаметр труб:  Скорость воды в трубах:  Критерий Рейнольдса:  Это турбулентный режим течения жидкости. Для такого режима используем следующую формулу для расчёта критерия Нуссельта:  εl=1, если  В нашем случае  Поэтому формула для нахождения критерия Нуссельта преобразуется:   Коэффициент теплоотдачи α2 от стенки труб к воде:  7.2. Термическое сопротивление стенки труб δст/λст. Для выбранного теплообменника толщина стенки труб равна 2 мм, так что δст=0,002 м. Теплопроводность стенки (из обычной стали) λст=46,5 Вт/(м·К) Термическое сопротивление стенки:  7.3. Расчет коэффициента А. Для горизонтальной трубы (одиночной):  Под корнем фигурируют теплофизические свойства метанола.  7.4. Расчет коэффициента рядности εр. Находим εр по графику, приведенному в учебнике [4] на рис. 6.18, и таблице П6.1 Приложения 6.1 к главе 6. В выбранном теплообменнике число труб n=240. Из табл. П6.1 при общем числе труб в пучке до 271 находим при их шахматном расположении число труб на стороне шестиугольника – 10, а по диагонали – 19. Среднее число труб в вертикальном ряду:  По nр=14,5 с помощью рис. 6.18 находим, что εр=0,64 7.5. Расчет К по формуле.  Таблица 3: Нахождение коэффициента теплопередачи K методом итерации
Значение K=940 Вт/(м^2·К) является решением по формуле, представленной выше 8. Расчет поверхности теплообмена и выбор теплообменника по каталогу. Расчёт производится по формуле:  Выберем из каталога другой теплообменник с тем же числом труб, но с уменьшенной длиной. Длина труб не влияет на расчет К, поэтому ее можно менять (в нашем случае надо уменьшить) 9. Оценка правильности выбора двухходового теплообменника. Запишем формулу для нахождения коэффициента теплопередачи К в следующем виде:  Отсюда можно найти термическое сопротивление стадии теплоотдачи при конденсации пара на пучке горизонтальных труб   Так как  , то ещё увеличивать число ходов в теплообменнике для увеличения α2 будет целесообразно. Видно, что термическое сопротивление на стадии теплоотдачи при конденсации пара самое большое и, чтобы увеличить коэффициент теплопередачи К, надо, в первую очередь, уменьшать  .10. Список литературы. 1. 1. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. – Л.: Химия, 1987. – 576 с. Сайт: 2. Варгафтик Н.Б. Справочник по физическим свойствам газов и жидкостей. – М.: Физматгиз, 1963, 108 с. 3. Айнштейн В.Г., Захаров М.К., Носов Г.А. и др. Общий курс процессов и аппаратов химической технологии. – М.: Логос – Высшая школа, 2002. – 1758 с. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||