Расчет теплового потока и расхода хладагента

Для определения теплового потока Q, передаваемого от конденсирующегося пара к охлаждающей воде, рассчитываем удельную теплоту конденсации пара r_см при средней температуре t_n= 73.

r₁=1111,5 кДж/кг

r₂=2326,3 кДж/кг

r_см=

r_см=1111,5*0,84+2326,3*0,16=1305,86 кДж/кг

Тепловая нагрузка аппарата Q

Q=G_п* r_см

G_п=20000/3600=5.56 кг/с

Q=5.56*1305.86=7250 кВт

Изменение температуры воды меньше чем изменение температуры пара, поэтому средняя температура воды t_ср рассчитывается по формуле

t_ср=(Өн+Өк)/2

t_ср=(25+40)/2=32,5.

Для температуры t_ср=32,5теплофизические свойства воды.

плотность кг/м3	теплоемкость Дж/(кг∙К)	теплопроводность Вт/(м∙К)	динамическая вязкостьПа∙с	критерий Прандтля
996	4,179	0,618	0,804*10-3	5,44

Расход воды G_в, необходимый для конденсации пара,

G_в=Q/(C_в(Өк-Өн))

G_в7250,6/(4,179*(40-25))=115,8кг/с

Определение средней разности температур между теплоносителями

_{73 73}

_{40 25}

Средняя разность температур рассчитывается по формуле:

Приближенная оценка коэффициента теплопередачи и площади поверхности теплообмена

Ориентировочно принимаем коэффициент теплопередачи равным Кор=550 Вт/(м²*К).

Ориентировочная площадь поверхности теплопередачи Fор , необходимая для конденсации пара

В рассматриваемом примере средняя разность температур теплоносителей меньше 50, поэтому к установке могут быть приняты аппараты жесткого типа.

Выбираем конденсатор жесткого типа.

Характеристики
диаметр кожуха, мм	1000
диаметр труб, мм	25*2
число ходов	2
площадь сечения одного хода по трубам, м2	0,124
длина труб, м	6
площадь поверхности теплопередачи, м2	338
число труб	718

Скорость воды в трубах теплообменника:

W=G_в/(ρ_в*f_тр)

W=115,8/(996*0,124)=0,94 м/с

Рассмотрим возможность установки вертикального и горизонтального аппарата.

Теплофизические характеристики конденсата λ, 𝜌, 𝜇 рассчитываются при средней температуре пленки конденсата t_пл=0,5(t_п+t_ст1).

Рассчитываем физические характеристики пленки конденсата при средней температуре конденсации пара. Плотность пленки конденсата 𝜌 определяется из соотношения

/,

где 𝜌_i- плотность компонентов конденсата при t_п= 73 ºС

ρ₁=743,00кг/м³

ρ₂=975,85кг/м³

откуда ρ=1/0,001313781=761,16 кг/м³

Вязкость пленки конденсата µ рассчитывается по формуле

Где 𝜇_i- вязкость компонентов конденсата;

X_i- мольные доли компонентов в конденсате, в случае полной конденсации пара x_i=y_i.

Вязкость компонентов конденсата:

𝜇₁= 0,3*10^-3 Па∙с,

𝜇₂= 0,4*10^-3 Па∙с,

L𝘨𝜇=0,84lg0,3*10^-3+0,16*lg0,4*10^-3=-3,5029

Откуда 𝜇=0,314*10^-3 Па∙с,

Коэффициент теплопроводности пленки конденсата λ рассчитывают приближенно по формулам

,

где λ_i – коэффициенты теплопроводности компонентов конденсата

λ₁=0,175ккал/(м₃*ч*°С)=0,175*1,163=0,2035Вт/(м*К)

λ₂=0,575ккал/(м₃*ч*°С)=0,575*1,163=0,6687Вт/(м*К)

Так как , то в дальнейших расчетах будем использовать λ==

Коэффициент теплоотдачи от пара к трубам при пленочной конденсации пара и ламинарном стекании пленки конденсата для вертикального аппарата рассчитывается по уравнению:

Для горизонтального:

,

Где

D_н- наружний диаметр труб,

n-число труб,

𝜀-коэффициент, зависящий от числа труб; при n≤100, 𝜀=0,7;n>100, 𝜀=0,6.

Величина критерия Рейнольдса для воды:

где d_вн- внутренний диаметр труб, м.

Коэффициент теплоотдачи от труб к воде α₂ при устойчивом турбулентном течении (Re>10⁴) рассчитывается из соотношения [1,с.49].

,

где d_экв- эквивалентный диаметр канала; при движении по трубам d_экв равен внутреннему диаметру трубы d_вн.

Выражаем и находим α₂

Вт/(м²∙К)

Принимаем термическое сопротивление со стороны конденсирующегося пара органических веществ r₁=1/11600=0,00009 (м²∙К)/Вт, а со стороны воды r₂=1/1860=0,00054 (м²∙К)/Вт.

Для легированной стали коэффициент теплопроводности λ_ст=17,5 Вт/(м∙К).

Тогда термическое сопротивление стенки r_ст=δ_ст/λ_ст=2∙10^-3/17,5=0,000114 (м²∙К)/Вт (δ_ст-толщина стенки труб теплообменника)

Сумма термических сопротивлений r:

(м²∙К)/Вт

Коэффициенты теплопередачи для вертикального К'_верт и горизонтального К'_гор аппаратов:

Расчетная площадь поверхности теплопередачи для вертикального и горизонтального аппарата:

= м²

=м²

Запас площади поверхности теплопередачи составляет:

, %

%

%

Для горизонтального аппарата запас площади поверхности теплопередачи слишком большой, поэтому принимать к установки такой аппарат не целесообразно. Для вертикального аппарата значение запаса площади поверхности теплопередачи лежит в допустимых пределах, поэтому такой аппарат наиболее целесообразно использовать для процесса конденсации пара.

Рассчитываем температуру стенок со стороны пара t'_cт1 и воды t'_cт2 для вертикального аппарата из соотношения для поверхности плотности теплового потока q

откуда:

Для проверки правильности выполненных расчетов используем следующее уравнение

Соотношение выполняется, следовательно, расчеты выполнены верно.