ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ(ЗАДАЧНИК) Авторы Р. Б. Комляшев, А. В. Вешняков, М. А. Носырев

Запас по поверхности теплопередачи:

Возможны и другие варианты компоновки теплообменного аппарата из нескольких однопоточных и двухпоточных теплообменников типа «труба в трубе». Окончательный выбор аппарата можно сделать только после гидравлического и поверочного теплового расчёта каждого выбранного варианта.

Пластинчатый теплообменник

В пластинчатом теплообменнике коэффициент теплопередачи примерно в 3 раза выше, чем в кожухотрубчатом: Kор 3 230 мВт2 К 690 мВт2 К .

Ориентировочная поверхность теплопередачи кожухотрубчатого теплооб-

Выбираем из [4, с. 63, табл. 2.13] теплообменник с такой площадью поверхности, чтобы запас по поверхности составлял от 5 до 30 %. Минимальная и максимальная площади поверхности теплопередачи такого теплообменника составляют:

Amin 1,05 Aор 1,05 21,84м2 22,9м2 ,

Amax 1,3 Aор 1,3 21,84м2 28,4м2 .

Выбираем теплообменник с наименьшей массой. Характеристики теплообменника:

площадь поверхности теплопередачи AТО = 25 м2; тип пластин f = 0,6 м2;

число пластин N = 44;

масса теплообменника mТО = 1130 кг. Запас по поверхности теплопередачи:

61

Задача 37

В теплообменнике производится охлаждение 10 т/ч бензола от 75 °C до 35 °C. В качестве хладагента используется вода, температура которой меняется от 20 °C до 30 °C. Тепловыми потерями пренебречь. Определить ориентировочную поверхность теплообменника и подобрать под неё стандартные кожухотрубчатый, двухтрубный и пластинчатый теплообменники.

Решение

Теплагент – бензол (охлаждение). Хладагент – вода (нагрев).

Рассмотрим противоток теплоносителей в одноходовом теплообменнике, как самый распространённый случай (рис. 22).

t

t1н = 75 °C

Рис. 22. Профиль температур теплоносителей по длине труб одноходового кожухотрубчатого холодильника при противотоке

Бóльшее и меньшее значение движущей силы в теплообменнике:

tБ t1н t2к 75°С 30°С 45К,tМ t1к t2н 35°С 20°С 15К.

Среднее логарифмическое значение движущей силы:

62

Для теплоносителя с меньшим изменением температуры среднюю интегральную температуру можно принять равной средней арифметической. Поскольку t1 t2 , среднее значение температуры хладагента:

Теплоёмкость теплагента при средней арифметической температуре:

Теплоёмкость хладагента при средней арифметической температуре:

Расход тепловой энергии, выделяющейся при охлаждении теплагента:

Ориентировочные значения коэффициента теплопередачи от жидкости к жидкости (когда обе жидкости органические или одна из жидкостей органическая) при вынужденном движении теплоносителей [1, с. 172,

табл. 4.8]: Kор 120 270 мВт2 К .

63

Кожухотрубчатый теплообменник

Для кожухотрубчатого теплообменника выбираем середину интервала:

Kор 195 мВт2 К .

Ориентировочная поверхность теплопередачи кожухотрубчатого теплооб-

Выбираем из [4, с. 52, табл. 2.3] теплообменник с такой площадью поверхности, чтобы запас по поверхности составлял от 5 до 30 %. Минимальная и максимальная площади поверхности теплопередачи такого теплообменника составляют:

Amin 1,05 Aор 1,05 37,92м2 39,8м2 ,

Amax 1,3 Aор 1,3 37,92м2 49,3м2.

Массу теплообменника находим по [4, с. 56, табл. 2.8]. Подходят теплообменники:

Выбираем теплообменник с наименьшей массой. Характеристики теплообменника:

площадь поверхности теплопередачи AТО = 40 м2; диаметр кожуха D = 600 мм;

диаметр труб d = 25×2 мм; число ходов N = 1; общее число труб n = 257; длина труб L = 2,0 м;

масса теплообменника mТО = 1350 кг. Запас по поверхности теплопередачи:

64

Теплообменник «труба в трубе»

В двухтрубном теплообменнике турбулентность потока теплоносителей выше, чем в кожухотрубчатом, что приводит к большему коэффициенту теплопередачи. Выбираем верхнюю границу интервала:

Kор 270 мВт2 К

Ориентировочная поверхность теплопередачи кожухотрубчатого теплооб-

Выбираем из [4, с. 61, табл. 2.11, 2.12] теплообменник с такой площадью поверхности, чтобы запас по поверхности составлял не менее 5 %. Минимальная площадь поверхности теплопередачи такого теплообменника со-

ставляют: Amin 1,05 Aор 1,05 27,39м2 28,8м2 .

Подходит разборный многопоточный теплообменник типа «труба в трубе» со следующими характеристиками:

площадь поверхности теплопередачи AТО = 36 м2; число параллельных потоков N = 12;

число труб n = 24; длина труб L = 9,0 м.

Запас по поверхности теплопередачи:

В качестве альтернативы можно рассмотреть 4 последовательно соединённых двухпоточных теплообменников типа «труба в трубе» со следующими характеристиками:

площадь поверхности теплопередачи AТО = 7,5 м2; диаметр труб d = 133×4 мм;

число параллельных потоков N = 1; число труб n = 2;

длина труб L = 9,0 м.

Запас по поверхности теплопередачи:

65

Возможны и другие варианты компоновки теплообменного аппарата из нескольких однопоточных и двухпоточных теплообменников типа «труба в трубе». Окончательный выбор аппарата можно сделать только после гидравлического и поверочного теплового расчёта каждого выбранного варианта.

Пластинчатый теплообменник

В пластинчатом теплообменнике коэффициент теплопередачи примерно в

Ориентировочная поверхность теплопередачи кожухотрубчатого теплооб-

Выбираем из [4, с. 63, табл. 2.13] теплообменник с такой площадью поверхности, чтобы запас по поверхности составлял от 5 до 30 %. Минимальная и максимальная площади поверхности теплопередачи такого теплообменника составляют:

Amin 1,05 Aор 1,05 12,64м2 13,3м2 ,

Amax 1,3 Aор 1,3 12,64м2 16,4м2 .

Выбираем теплообменник с наименьшей массой. Характеристики теплообменника:

площадь поверхности теплопередачи AТО = 16 м2; тип пластин f = 0,3 м2;

число пластин N = 56;

масса теплообменника mТО = 440 кг. Запас по поверхности теплопередачи:

66

ПОВЕРОЧНЫЙ РАСЧЁТ ТЕПЛООБМЕННИКА ТИПА «ТРУБА В ТРУБЕ»

Задача 38

В двухтрубном теплообменнике производится охлаждение 0,7 т/ч бензола от 75 °C до 30 °C. В качестве хладагента используется вода, подаваемая в кольцевой зазор между трубами, температура воды меняется от 23 °C до 28 °C. Тепловыми потерями пренебречь. Неразборный двухтрубный теплообменник изготовлен из труб диаметром 57×4 мм и 25×3 мм и состоит из 9 секций длиной 3 м каждая. Выполнить поверочный расчёт теплообменника и определить коэффициент запаса теплообменника по поверхности теплопередачи.

Решение

Теплагент – бензол (охлаждение). Хладагент – вода (нагрев).

Рассмотрим противоток теплоносителей в однопоточном теплообменнике типа «труба в трубе» (рис. 23).

Рис. 23. Профиль температур теплоносителей по длине труб холодильника типа «труба в трубе» при противотоке

Бóльшее и меньшее значение движущей силы в теплообменнике:

67

tБ t1н t2к 75°С 28°С 47 К, tМ t1к t2н 30°С 23°С 7 К.

Среднее логарифмическое значение движущей силы:

Для теплоносителя с меньшим изменением температуры среднюю интегральную температуру можно принять равной средней арифметической. Поскольку t1 t2 , среднее значение температуры хладагента:

Теплоёмкость теплагента при средней арифметической температуре:

Теплоёмкость хладагента при средней арифметической температуре:

Расход тепловой энергии, выделяющейся при охлаждении теплагента:

Физические свойства теплагента (бензола) при его средней интегральной температуре t1ср 46,51°C:

плотность 1 850,6кгм3 [2, с. 14],

68

вязкость 1 0,4521мПа с [2, с. 15],

теплоёмкость c1 1790,2 кгДжК [2, с. 18], теплопроводность 1 0,1380 мВтК [2, с. 19].

Физические свойства хладагента (воды) при его средней интегральной температуре t2ср 25,5°C:

плотность 2 996,9кгм3 [2, с. 4], вязкость 2 0,8807 мПа с [2, с. 4],

теплоёмкость c2 4179,4 кгДжК [2, с. 4], теплопроводность 2 0,6066 мВтК [2, с. 4]. Объёмные расходы теплоносителей:

Эквивалентные диаметры: внутренняя труба (теплагент)

dэ1 dвн dн 2 м 25мм 2 3мм 19мм 0,019м,

кольцевой зазор (хладагент) dэ2 Dвн dн Dн 2 б dн

57мм 2 4мм 25мм 49мм 25мм 24мм 0,024м.

Площади сечения потоков теплоносителей:

69

Критерии (числа) Рейнольдса теплоносителей:

хладагент Pr2 6,070 [2, с. 4].

Выбор расчётных формул для критериев (чисел) Нуссельта теплоносите-

лей [1, с. 155, табл. 4.4]:

Критерии (числа) Нуссельта для теплоносителей:

Коэффициенты теплоотдачи:

70