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

для агрессивных жидкостей (органические кислоты, нитробензол) берём

Аналогичный расчёт без учёта загрязнений поверхности стенок даёт следующие результаты: K 1009 мВт2 К , A 0,3123м2 , 65,8%.

Таким образом, змеевиковый подогреватель обеспечивает нагрев жидкости до необходимой температуры только при незначительных загрязнениях.

81

ПОВЕРОЧНЫЙ РАСЧЁТ КОЖУХОТРУБЧАТОГО ТЕПЛООБМЕННИКА-ХОЛОДИЛЬНИКА

Задача 41

В шестиходовом кожухотрубчатом теплообменнике производится охлаждение 10 т/ч бензола от 75 °C до 30 °C. Бензол подаётся в межтрубное пространство теплообменника, снабженное сегментными перегородками. В качестве хладагента используется вода, подаваемая в трубчатку, температура воды меняется от 23 °C до 28 °C. Тепловыми потерями пренебречь. Кожухотрубчатый теплообменник изготовлен из 316 труб диаметром 20×2 мм и длиной 3 м. Площадь сечения потока в межтрубном пространстве между сегментными перегородками 4,8·10-2 м2. Выполнить поверочный расчёт теплообменника и определить коэффициент запаса теплообменника по поверхности теплопередачи.

Решение

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

Рассмотрим смешанный ток теплоносителей в двухходовом кожухотрубчатом теплообменнике (рис. 26).

t

t1н = 75 °C

Рис. 26. Профиль температур теплоносителей по длине труб кожухотрубчатого холодильника при смешанном токе

82

Изменения температур теплоносителей:

t1 t1н t1к 75°С 30°С 45К, t2 t2к t2н 28°С 23°С 5К.

Среднее логарифмическое значение движущей силы:

B t1н t1к t2к t2н 75 30 28 23 54 К ,

Поскольку t1 t2 , среднее значение температуры хладагента:

Массовый расход хладагента (охлаждающей воды):

Физические свойства теплагента (бензола) при его средней интегральной температуре t1ср 44,12°C:

плотность 1 853,2кгм3 [2, с. 14],

83

вязкость 1 0,4651мПа с [2, с. 15],

теплоёмкость c1 1782,8 кгДжК [2, с. 18], теплопроводность 1 0,1388 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].

Эквивалентный диаметр для потока теплагента (бензола) в межтрубном пространстве, снабжённом сегментными перегородками, принимают равным наружному диаметру труб: dэ1 dн 20мм 0,02м.

Площадь сечения потока теплагента в межтрубном пространстве между

Скорость течения теплагента в межтрубном пространстве между сегментными перегородками:

Критерий (число) Рейнольдса для теплагента:

При течении в межтрубном пространстве теплообменника с сегментными перегородками в режиме развивающейся турбулентности при 5 < Re < 1000 для любого размещения труб в пучке критерий Нуссельта рассчитывается по формуле [1, с. 156, ф-ла 4.29; 4, с. 50, ф-ла 2.17; 7, с. 26,

84

При течении в межтрубном пространстве теплообменника с сегментными перегородками в режиме турбулентного течения при Re > 1000 для шахматного размещения труб в пучке по вершинам равностороннего треугольника критерий Нуссельта рассчитывается по формуле [1, с. 156, ф-ла

4.31; 4, с. 50, ф-ла 2.16; 7, с. 26, ф-ла 2.43]:

В этих формулах коэффициент, учитывающий средний угол атаки поверхности пучка труб обтекающим потоком, для многократно-перекрёстного движения теплоносителя εφ = 0,6.

Критерий (число) Нуссельта для теплагента при Re1 2488 1000:

Коэффициент теплоотдачи от теплагента к стенке:

Эквивалентный диаметр для потока хладагента в трубах теплообменника: dэ2 dвн dн 2 м 20мм 2 2мм 16мм 0,016м.

Площадь сечения потока хладагента в шестиходовом N = 6 трубном пространстве при числе труб n = 316 шт.:

Скорость течения хладагента в трубах теплообменника:

85

или, учитывая, что хладагентом является вода критерий (число) Прандтля при t2ср 25,5°C может быть найдено по [2, с. 4].

Выбор расчётной формулы для критерия (числа) Нуссельта для хладагента

[1, с. 155, табл. 4.4]:

Коэффициент теплоотдачи от стенки к хладагенту:

Теплопроводность стальной стенки трубок теплообменника:

86

для неагрессивных жидкостей берём углеродистую сталь ст 46,5 мВтК ,

для агрессивных жидкостей (органические кислоты, нитробензол) берём нержавеющую сталь ст 17,2 мВтК .

Коэффициент теплопередачи для цилиндрической стенки (межтрубное пространство – бензол – н 1, dн 0,02м, Rз н Rз1;

трубное пространство – вода – вн 2 , dвн 0,016м, Rз вн Rз2 ):

Расчётная площадь поверхности теплопередачи:

Для данного типа теплообменных аппаратов допустимый запас по поверхности теплопередачи должен составлять от 5 до 30 %. Таким образом, данный теплообменник обеспечивает охлаждение жидкости до необходимой температуры.

87

ПОДБОР И РАСЧЁТ КОЖУХОТРУБЧАТОГО ИСПАРИТЕЛЯ

Задача 42

В кубе-кипятильнике производится испарение 4 т/ч бензола при нормальном атмосферном давлении. В качестве теплагента используется насыщенный водяной пар, подаваемый под избыточным давлением 0,2 кгс/см². Тепловыми потерями пренебречь. Подобрать теплообменник и выполнить его поверочный расчёт.

Решение

Теплагент – насыщенный водяной пар (конденсация). Хладагент – жидкий бензол (кипение).

Абсолютное давление насыщенного водяного пара: p1 pатм p1

Температура и удельная теплота конденсации насыщенного водяного пара: t1 105,0°C, r1 2243,9кДжкг [2, c. 7].

Температура кипения и удельная теплота испарения хладагента (бензола) при нормальном атмосферном давлении:

t2 80,1°C [2, c. 13], r2 394,4кДжкг [2, c. 20].

Движущая сила в случае постоянства температур теплоносителей равна их

Расход тепловой энергии на испарение хладагента (бензола):

Q2 m2 r2 1,111кгс 394,4кДжкг 438,2кВт.

При отсутствии тепловых потерь: Q Q1 Q2 438,2кВт. Массовый расход теплагента (насыщенного водяного пара):

88

Физические свойства парового конденсата при температуре t1 105,0°C:

плотность 1 954,7кгм3 [2, с. 4], вязкость 1 0,2681мПа с [2, с. 4], теплопроводность 1 0,6802 мВтК [2, с. 4].

Физические свойства халадагента при t2 80,1°C:

плотность жидкости 2 813,6кгм3 [2, с. 14], вязкость жидкости 2 0,3177 мПа с [2, с. 15],

теплоёмкость жидкости c2 1905,4 кгДжК [2, с. 18], теплопроводность жидкости 2 0,1270 мВтК [2, с. 19],

поверхностное натяжение 2 21,18мДжм2 [2, с. 16], молярная масса M2 78,114кгкмоль [2, c. 13], плотность пара

Коэффициент теплоотдачи при конденсации пара на вертикальных поверхностях:

Коэффициент теплоотдачи при кипении в трубах:

89

где 2G 0 – плотность пара при нормальном атмосферном давлении.

Поскольку по условию задачи теплообменник работает при нормальном атмосферном давлении, то 2G 0 2G и формула для коэффициента тепло-

отдачи при кипении в трубах принимает вид:

При кипении в трубах кожухотрубчатые испарители могут быть только одноходовыми. Тогда, в соответствие с таблицей [4, с. 57, табл. 2.9], у всех испарителей диаметр труб составляет 25×2 мм, откуда:

dн 25мм 0,025м, dвн dн 2 25мм 2 2мм 21мм 0,021м.

С учётом цилиндрической стенки корректируем коэффициент b: