Провести тепловой расчет и подобрать кожухотрубный теплообменник-конденсатор (по ГОСТ 15118-79, 15119-79, 15121-79, 14246-79 и 14247-79) для осуществления процессов нагревания водных растворов и индивидуальных жидкостей насыщенным водяным паром или для конденсации насыщенных паров органических жидкостей технической водой. Конденсат пара отводится при температуре конденсации.
Рис. 4.1- Принципиальная схема кожухотрубчатого теплообменника-
конденсатора
№ варианта Состав водного раствора Производительность по раствору (жидкости), G, т/ч Начальная температура, tH, 0C Давление в трубном пространстве, Р, ата
12 Хлорбензол, C6H5Cl 15 21 1,0
Примечания:
1 – нагреваемая среда направляется в трубную зону теплообменника, греющий агент – в межтрубную зону аппарата;
2 – в качестве греющего агента использовать насыщенный водяной пар с температурой на 15–20°С выше температуры кипения нагреваемой среды;
3 – раствор подогревается до температуры кипения;
4 – давление греющего пара выбрать самостоятельно.
Решение
Согласно справочным данным, температура кипения хлорбензола при атмосферном давлении составляет 1310С. Принимаем температуру греющего пара, используемого для нагрева хлорбензола до температуры кипения, равной 151,10С, что соответствует его давлению 0,5 МПа. Потери теплоты в окружающую среду примем в размере 5% от полезной теплоты.
Жидкость будет двигаться по трубному пространству теплообменного аппарата, а греющий пар по межтрубному пространству.
Составляем температурную схему процесса:
Рис. 4.2 – Температурная схема процесса
Хлорбензол: 21→1310С
Водяной пар: 151,1→151,10С
tб=151,1-21=130,10С
tм=151,1-131=20,10С
tб/tм=130,1/20,1=6,47
Отношение tб/tм>2, значит, средняя движущая сила будет рассчитана как среднелогарифмическая:
∆tср=∆tб-tмln∆tб∆tм=130,1-20,1ln130,120,1=58,90С
Рассчитаем среднюю температуру раствора tср и температуру пленки конденсата tпл.
tпл=Тгорст+tст12,
где Тгорст-средняя температура горячего теплоноситедя; Тгорст=Тпара=151,10С;
tст1-температура стенки со стороны горячего теплоносителя, 0С:
tст1=Тгорст-0,1∙∆tcp=151,1-0,1∙58,9≈1450С
tпл=151,1+1452=148,05≈1480С
tср=tпл-∆tcp=148-58,9=89,1≈890С
Составим уравнение теплового баланса. Часть теплоты от пара переходит через стенку кожуха в окружающую среду.
Qпар=Qсм+Qп
Тепловая нагрузка в теплообменном аппарате:
Gпар∙rпар=Gр∙Cр∙tт.к-tт.н+Qп
Gпар∙rпар=1,05∙Gр∙Cр∙tт.к-tт.н
Удельная теплота конденсации пара при температуре 151,10С составляет 2117 кДж/кг.
Удельная теплоемкость хлорбензола при его средней температуре в аппарате 890С составляет 1542 Дж/(кг∙К).
Определим расход греющего пара:
Gпар=1,05∙15000∙1542∙(131-21)3600∙2117000=0,351кгс=1262кгч
Определим тепловую нагрузку теплообменного аппарата:
Q=150003600∙1542∙131-21=706750 Вт
Зададимся ориентировочным значением коэффициента теплопередачи от конденсирующегося водяного пара к органической жидкости Кор=300 Вт/(м2∙К)
Тогда ориентировочная поверхность теплопередачи составит:
Fop=QKop∙∆tcp=706750300∙58,9= 40 м2
Зададимся критерием Рейнольдса, значение которого будет соответствовать турбулентному режиму движения теплоносителя по трубам диаметром 25х2 мм, и при этом значении критерия Рейнольдса определим скорость движения теплоносителя по трубам
. Примем Re=10000. Определим плотность и вязкость потока при его средней температуре.
Плотность хлорбензола при 890С равна 1032 кг/м3.
Динамический коэффициент вязкости хлорбензола при 890С составляет 0,406·10-3 Па∙с.
Тогда скорость потока в трубах составит:
w=Re∙μтdвн∙ρт=10000∙0,0004060,021∙1032=0,19 м/с
Число труб на один ход составит:
nx=Gтρт∙π∙dвн24∙w=150003600∙1032∙3,14∙0,02124∙0,19=61
На основании выполненных расчетов выберем четырехходовый теплообменный аппарат типа ТН, имеющий следующие параметры:
диаметр кожуха – 0,6 м;
число труб - 206 шт.;
число труб на один ход - 51 шт.;
поверхность теплообмена – 49 м2;
длина труб – 3,0 м.
Уточненная скорость движения потока по трубам и режим движения потока:
wуточн=Gсмρсм∙π∙dвн24∙nx=150003600∙1032∙3,14∙0,02124∙51=0,23м/с
Reист=0,23∙0,021∙10320,000406=12277
Режим движения потока по трубам турбулентный.
Коэффициент теплоотдачи для пара, конденсирующегося на наружной поверхности пучка горизонтальных труб, рассчитываем по формуле:
∝пар=0,728∙ε∙εt∙4λ3∙ρ2∙r∙gμ∙∆t∙dнар,
где ε - коэффициент, зависящий от числа труб по вертикали, ε=0,62;
εt-поправочная функция, учитывающая физические свойства конденсирующейся среды, для конденсирующегося водяного пара функция равна 1;
λ-коэффициент теплопроводности конденсата при температуре конденсации, λ=0,684 Вт/(м·К);
ρ-плотность конденсата при температуре конденсации, ρ=917 кг/м3;
r-удельная теплота конденсации пара, r=2117000 Дж/кг;
g-ускорение свободного падения, g=9,81 м/с2;
μ-динамический коэффициент вязкости конденсата при температуре конденсации, μ=185·10-6 Па·с;
∆t-разность между температурой конденсации пара и температурой стенки со стороны пара, (tконд-tст1), 0С;
dнар- наружный диаметр труб, dнар=0,025 м.
При температуре стенки со стороны пара, равной tст1=1450С коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенке составит:
∝пар=0,728∙0,62∙1∙40,6843∙9172∙2117000∙9,81185∙10-6∙(151,1-145)∙0,025=9522,19 Вт/(м2∙К)
Термические сопротивления стенки с учетом загрязнений:
rст=δстλст+rзагр1+rзагр2,
где rзагр1-термические сопротивления загрязнений со стороны водяного пара, rзагр1=1/5800 (м2·К)/Вт;
rзагр2-термические сопротивления загрязнений со стороны потока жидкости, rзагр2=1/5800 (м2·К)/Вт;
δст-толщина стенки, δст=0,002 м;
λст-теплопроводность материала стенки, для стали λст=46,5 Вт/(м·К)
rст=0,00246,5+15800+15800=3,9∙10-4(м2∙К)/Вт
Рассчитаем ориентировочное значение tст2:
tст2=tср+0,8∙∆tср=89+0,8∙58,9=1360С
Коэффициент теплоотдачи от стенки к потоку рассчитываем через критериальное уравнение:
∝хб=Nu∙λхбdвн,
где dвн - внутренний диаметр труб, dвн=0,021 м;
λхб-коэффициент теплопроводности жидкости при средней температуре потока, Вт/(м·К).
Коэффициент теплопроводности хлорбензола при 890С составляет 0,115 Вт/(м∙К).
Коэффициент теплоотдачи для жидкости при турбулентном режиме ее движения в трубах теплообменника рассчитываем на основе критериального уравнения:
Nu=0,021∙Re0,8∙Pr0,43∙PrPrст0,25,
где Pr-значение критерия Прандтля для хлорбензола при 890С;
Prст-значение критерия Прандтля для хлорбензола при температуре стенки (1360С).
Pr=Схб∙μхбλхб=1542∙0,0004060,115=5,44
Prст=Схб∙μхбλхб=1559∙0,0002250,1=3,51
Тогда критерий Нуссельта равен:
Nu=0,021∙122770,8∙5,440,43∙5,443,510,25=90,65
∝хб=90,65∙0,1150,021=496,42 Вт/(м2∙К)
Рассчитываем коэффициент теплопередачи в проектируемом теплообменнике:
К=11αп+rст+1αт=119522,19 +3,9∙10-4+1496,42=398,5 Вт/(м2∙К)
На основании рассчитанного значения коэффициента теплопередачи определяем требуемую площадь поверхности теплообмена:
Fтреб=QК∙∆tcp=706750398,5∙58,9=30 м2
На основании выполненных расчетов принимаем четырехходовый теплообменный аппарат типа ТН, имеющий следующие параметры:
диаметр кожуха – 0,6 м;
число труб - 206 шт.;
число труб на один ход - 51 шт.;
поверхность теплообмена – 32 м2;
длина труб – 2,0 м;
площадь трубного пространства – Sтр=0,018 м2;
площадь межтрубного пространства - Sмтр=0,045 м2;
диаметр труб – d=25x2 мм.
Запас поверхности теплообмена составляет:
∆Fзапас=Fт/о-FтребFтреб∙100=32-3030∙100=6,7%.
Задать вопрос
на новый заказ в Автор24.
