Подбор теплообменника для проведения процесса охлаждения и конденсации пара толуола

Подбор теплообменника для проведения процесса охлаждения и конденсации пара толуола

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования

«Белорусский государственный технологический университет»

Кафедра процессов и аппаратов химических производств

РАСЧЕТНО - ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовой работе

по процессам и аппаратам химических технологий

на тему "Подбор теплообменника для проведения процесса охлаждения и конденсации пара толуола"

Разработал

студент 3 курса

инженерно-экономического факультета

специальности 1-43 01 06 02

Стригельский А. В.

Руководитель

Калишук Д. Г.

Минск 2005

Содержание

Введение

1. Литературный обзор

1.1 Теоретические основы теплообмена

1.2 Основные типы теплообменников

1.2.1 Назначение и классификация теплообменных аппаратов

1.2.2 Обзор типовых теплообменных аппаратов

1.3 Современное аппаратурно-технологическое оформление процесса теплообмена

2. Расчет холодильника первой ступени

2.1 Определение тепловой нагрузки

2.2 Определение расхода и тепловой нагрузки воздуха

2.3 Вычисление средней разности температур теплоносителей

2.4 Нахождение ориентировочной поверхности теплообмена Fор и выбор рассчитываемого теплообменника

2.5 Расчет коэффициента теплопередачи K

2.6 Расчёт гидравлического сопротивления теплообменника

3. Расчет конденсатора паров толуола

3.1 Определение тепловой нагрузки

3.2 Определение тепловой нагрузки для второго теплоносителя - жидкого толуола и его расхода

3.3 Вычисление средней разности температур теплоносителей

3.4 Нахождение ориентировочной поверхности теплообмена Fор и выбор рассчитываемого теплообменника

3.5 Уточненный расчет поверхности теплопередачи

3.6 Расчёт гидравлического сопротивления теплообменника

Заключение

Список использованных литературных источников

Приложение А

Приложение Б

Введение

Современная химическая промышленность в Беларуси развивается с 60-х годов в комплексе с нефтеперерабатывающими и нефтехимическими предприятиями. Интенсивному развитию в республике этой отрасли способствовал ряд благоприятных факторов: большая потребность народного хозяйства в химической и нефтехимической продукции и высокая эффективность её применения в промышленности и сельском хозяйстве; открытие богатых запасов калийных солей на юге Минской области и нефтяных месторождений в Гомельской области; разветвлённая сеть железных и автомобильных дорог.

Начиная с 1958 года, в республике осуществляется развёрнутое строительство новых, расширение и реконструкция действующих химических предприятий. Химическая промышленность стала одной из ведущих отраслей хозяйства, охватывающей многочисленные производства разнообразных неорганических и органических продуктов, имеющих важное значение. Возникли и получили промышленное применение процессы адсорбции, экстракции, молекулярной дистилляции и др.

Современная химическая промышленность насчитывает множество разнообразных производств, часто сильно различающихся химической природой и физическими свойствами исходных веществ, промежуточных и конечных продуктов, а также характером и условиями протекания технологических процессов. Несмотря на перечисленные различия, число элементарных процессов, повторяющихся в разных сочетаниях во всех химических производствах, едва достигает двадцати. Из этого ограниченного числа элементарных процессов или из некоторой их части, но в различной последовательности и при разных рабочих условиях строится технология любого химического производства.

1 Литературный обзор

1.1 Теоретические основы теплообмена

При тепловых процессах тепло передаётся от одного вещества к другому. Для самопроизвольного переноса тепла одно из этих веществ должно быть более нагрето, чем другое. Вещества, участвующие в процессе перехода тепла (теплообмен), называются теплоносителями. Вещество с более высокой температурой, которое в процессе теплообмена отдаёт тепло, называется горячим теплоносителем, а вещество с более низкой температурой, воспринимающее тепло, холодным теплоносителем.

Существуют два основных способа проведения тепловых процессов: путём непосредственного соприкосновения теплоносителей и передачей тепла через стенку, разделяющую теплоносители.

При передаче тепла непосредственным соприкосновением теплоносители обычно смешиваются друг с другом, что не всегда допустимо; поэтому данный способ применяется сравнительно редко, хотя он значительно проще в аппаратурном оформлении.

При передаче тепла через стенку теплоносители не смешиваются, и каждый из них движется по отдельному каналу; поверхность стенки, разделяющей теплоносители, используются для передачи тепла и называется поверхностью теплообмена.

Различают установившийся и неустановившийся процессы теплопередачи. При установившемся (стационарном) процессе температуры в каждой точке аппарата не изменяются во времени, тогда как при неустановившемся (нестационарном) процессе температуры изменяются во времени. Установившиеся процессы соответствуют непрерывной работе аппаратов с непрерывным режимом; неустановившиеся процессы протекают в аппаратах периодического действия, а также при пуске и остановке аппаратов непрерывного действия и изменении режима их работы.

Передача тепла от одного тела к другому может происходить посредством теплопроводности, конвекции и лучеиспускания.

Передача тепла теплопроводностью осуществляется путём переноса тепла при непосредственном соприкосновении отдельных частиц тела. При этом энергия передаётся от одной частицы к другой в результате колебательного движения частиц, без их перемещения друг относительно друга.

Передача тепла конвекцией происходит только в жидкостях и газах путём перемещения их частиц. Перемещение частиц обусловлено движением всей массы жидкости или газа (вынужденная или принудительная конвекция), либо разностью плотностей жидкости в разных точках объёма, вызываемой неравномерным распределением температуры в массе жидкости или газа (свободная, или естественная, конвекция).

Конвекция всегда сопровождается передачей тепла посредством теплопроводности.

Передача тепла лучеиспусканием происходит путём переноса энергии в виде электромагнитных волн. В этом случае тепловая энергия превращается в лучистую энергию (излучение), которая проходит через пространство и затем снова превращается в тепловую при поглощении энергии другим телом (поглощение).

Рассмотренные виды передачи тепла редко встречаются в чистом виде; обычно они сопутствуют друг другу (сложный теплообмен). Так при передаче тепла через стенку перенос тепла от горячего теплоносителя к стенке и от стенки к холодному теплоносителю осуществляется конвекцией, а через стенку - путём теплопроводности.

Теплообменными аппаратами, или теплообменниками, называются устройства для передачи тепла от одних сред (горячих теплоносителей) к другим (холодным теплоносителям). В химической технологии теплообменные аппараты применяются для нагревания и охлаждения веществ в различных агрегатных состояниях, испарения жидкостей и конденсации паров, перегонки и сублимации, абсорбции и адсорбции, расплавления твёрдых тел и кристаллизации, отвода и подвода тепла при проведении экзо- и эндотермических реакций и т. д. соответственно своему назначению теплообменные аппараты называют подогревателями, холодильниками, испарителями, конденсаторами, дистилляторами, сублиматорами, плавителями и т. п.

Количество тепла, передаваемого в единицу времени от одного тела к другому, называется тепловым потоком, и выражается в Дж/сек или Вт, т. е. единицах мощности.

При теплообмене между теплоносителями происходит уменьшение энтальпии (теплосодержания) горячего теплоносителя и увеличение энтальпии холодного теплоносителя. Пусть количество горячего теплоносителя, его начальная и конечная энтальпия равны соответственно G кг/сек I1 и I2 Дж/кг, а количество холодного теплоносителя и его начальная и конечная энтальпия g кг/сек i1 и i2 Дж/кг.

Примем также, что количество тепла, передаваемое от горячего теплоносителя к холодному, составляет Q Вт (эта величина называется тепловой нагрузкой аппарата), а потери тепла в окружающую среду равны Qn Вт. Тогда уравнение теплового баланса запишется в виде:

G?I1+g?i1 = G?I2 + g?i2 + Qn , (1)

Произведя перегруппировку, получим:

G?(I1 - I2) = g?(i2 - i1) + Qn, (2)

Величина Qгор = G?(I1 - I2) представляет собой количество тепла, отданного горячим теплоносителем, а величина Qхол = g?(i2 - i1) количество тепла, сообщённое холодному теплоносителю.

Таким образом:

Qгор = Qхол + Qn , (3)

Т. е. тепло, отданное горячим теплоносителем, частично передаётся холодному теплоносителю и частично расходуется на компенсацию потерь в окружающую среду.

В теплообменных аппаратах потери тепла обычно невелики (не более 2 - 3 %) и ими можно пренебречь. Тогда уравнение теплового баланса примет вид:

Q = Qгор = Qхол , (4)

или

Q = G?(I1 -I2) = g?(i2 - i1), (5)

Расчет теплообменного аппарата включает определение необходимой поверхности теплопередачи, выбор типа аппарата и нормализованного варианта конструкции, удовлетворяющих заданным технологическим условиям оптимальным образом. Необходимую поверхность теплопередачи определяют из основного уравнения теплопередачи:

F = Q/(K??tcp), (6)

Тепловую нагрузку Q в соответствии с заданными технологическими условиями находят из уравнения теплового баланса для одного из теплоносителей:

-- если агрегатное состояние теплоносителя не меняется -- из уравнения

Q = Gi?ci?[ti н - ti k], i =1,2, (7)

-- при конденсации насыщенных паров без охлаждения конденсата или при кипении -- из уравнения

Q = Gi?ri , i = 1,2, (8)

-- при конденсации перегретых паров с охлаждением конденсата

Q = G1?(I1н - c1?t1k), (9)

где I1н -- энтальпия перегретого пара Дж/кг.

Если агрегатное состояние теплоносителя не меняется, его среднюю температуру можно определить как среднеарифметическую между начальной и конечной температурами:

ti = (tiн + tik)/2, i = 1,2, (10)

Более точное значение средней температуры одного из теплоносителей

можно получить, используя среднюю разность температур:

ti = tj ± ?tcp, (11)

где tj -- среднеарифметическая температура теплоносителя с меньшим перепадом температуры вдоль поверхности теплообмена, °С.

При изменении агрегатного состояния теплоносителя его температура постоянна вдоль всей поверхности теплопередачи и равна температуре кипения (или конденсации) зависящей от давления и состава теплоносителя.

Для протекания процесса передачи тепла необходимо наличие некоторой разности температур между горячим и холодным теплоносителями. Эта разность температур является движущей силой процесса теплопередачи и называется температурным напором. Если Т -- температура горячего теплоносителя, а t -- температура холодного теплоносителя в °С, то температурный напор:

= T - t, (12)

Чем больше температурный напор, тем выше скорость передачи тепла, причём количество тепла, передаваемого от горячего теплоносителя к холодному, пропорционально поверхности теплообмена F (м2), температурному напору и времени ф, с :

Q = K?F??ф, (13)

где K -- коэффициент теплопередачи, Вт/м2•К.

Если тепло переносится путём теплопроводности через стенку, то, согласно закону Фурье, количество передаваемого тепла пропорционально поверхности F, разности температур между обеими поверхностями стенки (ст. = tст.1-tст.2),времени ф и обратно пропорционально толщине стенки д:

Q = [л?F(tст1 - tст2)?ф]/д = (л?F?ст.?ф)/д, (14)

где tст1 и tст2 -- температура поверхностей стенки; л - коэффициент теплопроводности, Вт/(м•К).

1.2 Основные типы теплообменников

1.2.1 Назначение и классификация теплообменных аппаратов

Теплообменными аппаратами, или теплообменниками, называются устройства для передачи тепла от одних сред (горячих теплоносителей) к другим (холодным теплоносителям). В химической технологии теплообменные аппараты применяются для нагревания и охлаждения веществ в различных агрегатных состояниях, испарения жидкостей и конденсации паров, перегонки и сублимации, абсорбции и адсорбции, расплавления твердых тел и кристаллизации, отвода и подвода тепла при проведении экзо- и эндотермических реакций и т. д.

Соответственно своему назначению теплообменные аппараты называют подогревателями, холодильниками, испарителями, конденсаторами, дистилляторами, сублиматорами, плавителями и т.п.

По способу передачи тепла различают теплообменные аппараты поверхностные и смесительные. В первом случае передача тепла происходит через разделяющие твердые стенки, во втором -- непосредственным контактом (смешением) нагретых и холодных сред (жидкостей, газов, твердых веществ). Поверхностные аппараты подразделяются на рекуперативные и регенеративные. В рекуперативных аппаратах тепло от горячих теплоносителей к холодным передается через разделяющую их стенку, поверхность которой называется теплообменной поверхностью, или поверхностью нагрева. В регенеративных аппаратах оба теплоносителя попеременно соприкасаются с одной и той же стенкой, нагревающейся (аккумулируя тепло) при прохождении горячего потока и охлаждающейся (отдавая аккумулированное тепло) при последующем прохождении холодного потока. Регенераторы являются аппаратами периодического действия, рекуператоры могут работать как в периодическом, так и в непрерывном режимах.

1.2.2 Обзор типовых теплообменных аппаратов

При небольших тепловых нагрузках, когда требуемая поверхность теплообмена не превышает 20 -- 30 м2, целесообразно применение теплообменников типа «труба в трубе» Такие теплообменники изготовляют следующих типов: 1) неразборные однопоточные малогабаритные; 2) разборные одно- и двухпоточные малогабаритные; 3) разборные однопоточные; 4) неразборные однопоточные; 5) разборные многопоточные.

Неразборный теплообменник типа «труба в трубе» изображен на рисунке 1 Эти теплообменники могут иметь один ход или несколько (обычно четное число) ходов.

1 -- теплообменная труба, 2 -- кожуховая труба, 3 -- калач

Рисунок 1 - Неразборный теплообменник типа «труба в трубе»

Конструкция разборного теплообменника показана на рисунке 2 Однопоточный малогабаритный теплообменник (рисунок 2) имеет распределительную камеру для наружного теплоносителя, разделенную на две зоны продольной перегородкой. В крышке размещен калач, соединяющий теплообменные трубы. Кожуховые трубы крепятся в трубных решетках, теплообменные трубы герметизируются с помощью сальниковых уплотнений. Однопоточные разборные теплообменники из труб большого диаметра (более 57 мм) выполняются без распределительной камеры, так как штуцер для подвода наружного теплоносителя можно приварить непосредственно к кожуховым трубам.

1 -- теплообменная труба 2 -- распределительная камера для наружного теплоносителя 3 -- кожуховая труба, 4 -- крышка

Рисунок 2 - Разборный однопоточный малогабаритный теплообменник типа «труба в трубе»

Достоинством рассматриваемых теплообменных аппаратов ям является возможность создания высоких и даже одинаковых скоростей обоих теплоносителей и, следовательно, больших коэффициентов теплоотдачи. К числу их недостатков относятся большое гидравлическое сопротивление и значительная металлоемкость.

Наиболее широкое распространение получили кожухотрубчатые теплообменные аппараты, используемые для теплообмена между потоками в различных агрегатных состояниях (пар - жидкость, жидкость - жидкость, газ - газ, газ - жидкость).

Кожухотрубчатые теплообменные аппараты могут использоваться в качестве теплообменников, холодильников, конденсаторов и испарителей.

Теплообменники предназначены для нагрева и охлаждения, а холодильники -- для охлаждения (водой или другим нетоксичным, непожаро- и невзрывоопасным хладоагентом) жидких и газообразных сред. Кожухотрубчатые теплообменники и холодильники могут быть двух типов: Н -- с неподвижными трубными решетками и К -- с линзовым компенсатором неодинаковых температурных удлинений кожуха и труб. Наибольшая допускаемая разность температур кожуха и труб для аппаратов типа Н может составлять 20 -- 60 градусов, в зависимости от материала кожуха и труб, давления в кожухе и диаметра аппарата.

Теплообменники могут устанавливаться горизонтально или вертикально, быть одно-, двух-, четырех- и шестиходовыми по трубному пространству. Трубы, кожух и другие элементы конструкции могут быть изготовлены из углеродистой или нержавеющей стали. Распределительные камеры и крышки холодильников выполняют из углеродистой стали.

Кожухотрубчатые конденсаторы предназначены для конденсации паров в межтрубном пространстве, а также для подогрева жидкостей и газов за счет теплоты конденсации пара. Они могут быть с неподвижной трубной решеткой или с температурным компенсатором на кожухе, вертикальные или горизонтальные. Конденсаторы могут быть двух-, четырех- и шестиходовыми по трубному пространству

В кожухотрубчатых испарителях в трубном пространстве кипит жидкость, а в межтрубном пространстве может быть жидкий, газообразный, парообразный, парогазовый или парожидкостной теплоноситель. Эти теплообменники могут быть только вертикальными одноходовыми, с трубками диаметром 25X2 мм. Они могут быть с неподвижной трубной решеткой или с температурным компенсатором на кожухе. Применение кожухотрубчатых теплообменников с температурным компенсатором на кожухе (линзовый компенсатор) ограничено предельно допустимым давлением в кожухе, равным 1,6 МПа. При большем давлении в кожухе (1,6 -- 8,0 МПа) следует применять теплообменники с плавающей головкой или с U-образными трубами.

На рисунке 3 изображен кожухотрубчатый теплообменник с плавающей головкой, предназначенной для охлаждения (нагревания) жидких или газообразных сред без изменения их агрегатного состояния. Не закрепленная на кожухе вторая трубная решетка вместе с внутренней крышкой, отделяющей трубное пространство от межтрубного, образует так называемую плавающую головку. Такая конструкция исключает температурные напряжения в кожухе и в трубах. Кожухотрубчатые конденсаторы с плавающей головкой отличаются от аналогичных теплообменников большим диаметром штуцера для подвода пара в межтрубное пространство. Допустимое давление охлаждающей среды в трубах до 1,0 МПа, в межтрубном пространстве -- от 1,0 до 2,5 МПа. Эти аппараты могут быть двух-, четырех- и шестиходовыми по трубному пространству. Диаметр кожуха от 600 до 1400 мм, высота труб 6,0 м.

1 -- крышка распределительной камеры, 2 -- распределительная камера, 3 -- кожух, 4 -- теплообменные трубы, 5 -- перегородка с сегментным вырезом, 6 -- штуцер, 7 -- крышка плавающей головки, 8 -- крышка кожуха

Рисунок 3 - Кожухотрубчатый теплообменник с плавающей головкой

Теплообменники с U-образными трубами (рисунок 4) применяют для нагрева и охлаждения жидких или газообразных сред без изменения их агрегатного состояния. Они рассчитаны на давление до 6,4 МПа, отличаются от теплообменников с плавающей головкой менее сложной конструкцией (одна трубная решетка, нет внутренней крышки), однако могут быть лишь двухходовыми, из труб только одного сортамента: 20X2 мм. Кожухотрубчатые испарители с трубными пучками из U-образных труб или с плавающей головкой имеют паровое пространство над кипящей в кожухе жидкостью. В этих аппаратах, всегда расположенных горизонтально, горячий теплоноситель (в качестве которого могут быть использованы газы, жидкости или пар) движется по трубам. Кожухотрубчатые испарители могут быть с коническим днищем (рисунок 5) диаметром 800--1600 мм и с эллиптическим днищем диаметром 2400--2800 мм. Последние могут иметь два или три трубных пучка. Допустимые давления в трубах составляют 1,6--4,0 МПа, в кожухе -- 1,0--2,5 МПа при рабочих температурах от --30 до 450°С, т. е. выше, чем для испарителей с линзовым компенсатором.

1 -- распределительная камера, 2 -- кожух, 3 -- теплообменные трубы, 4 -- перегородка с сегментным вырезом, 5 -- штуцер

Рисунок 4 - Кожухотрубчатый теплообменник с U образными трубами

Наибольшей компактностью отличаются пластинчатые теплообменные аппараты; их удельная рабочая поверхность достигает 1500 м2/м3.

В пластинчатых теплообменниках поверхность теплообмена образована набором тонких штампованных гофрированных пластин Эти аппараты могут быть разборными, элуразборными и неразборными (сварными) В пластинах разборных теплообменников (рисунок 6) имеются угловые отверстия для прохода теплоносителей и пазы, в которых закрепляются уплотнительные и компонующие прокладки из специальных термостойких резин. Пластины сжимаются между неподвижной и подвижной плитами таким образом, что благодаря прокладкам между ними образуются каналы для поочередного прохода горячего и холодного теплоносителей. Плиты снабжены штуцерами для присоединения трубопроводов. Неподвижная плита крепится к полу, пластины и подвижная плита закрепляются в специальной раме. Группа пластин, образующих систему параллельных каналов, в которых данный теплоноситель движется только в одном направлении (сверху вниз или наоборот), составляет пакет. Пакет по существу аналогичен одному ходу по трубам в многоходовых кожухотрубчатых теплообменниках.

1 -- кожух, 2 -- трубчатая решетка плавающей головки, 3 -- теплообменные трубы, 4 -- неподвижная трубная решетка, 5 -- распределительная камера 6 -- крышка распределительной камеры, / -- люк для монтажа трубного пучка, // -- выход остатка продукта, /// -- дренаж, IV -- вход жидкого продукта V -- выход газа или жидкости (теплового агента), VI -- вход пара или жидкости (теплового агента), VII -- выход паров продукта, VIII -- люк

Рисунок 5 - Кожухотрубчатый испаритель с паровым пространством

Широкое применение получили пластинчато-ребристые теплообменные аппараты компактность которых достигает 2000 м2/м3. Большими достоинствами этих аппаратов являются: возможность осуществления теплообмена между тремя, четырьмя и более теплоносителями; наименьший вес и объем (следовательно, и стоимость) по сравнению с другими аппаратами. По своему устройству пластинчато-ребристые теплообменники представляют собой набор тонких пластин, между которыми располагаются тонкие гофрированные листы, припаянные к каждой пластине. Таким образом, образуются сребренные поверхности теплообмена, а теплоноситель разбивается на ряд мелких потоков. Аппарат может быть собран из любого числа пластин, а теплоносители могут двигаться либо прямотоком, либо перекрестным током.

1 -- неподвижная плита, 2 -- теплообменная пластина, 3 -- прокладка, 4 -- концевая пластина, 5 -- подвижная плита

Рисунок 6 - Пространственная схема движения теплоносителей (а) и условная схема компоновки пластин (б) в однопакетном пластинчатом разборном теплообменнике

1.3 Современное аппаратурно-технологическое оформление процесса теплообмена

Теплообмен является одним из важнейших процессов как в живой природе, так и для технологических производств. Поэтому немало было разработано и разрабатывается по сей день теплообменных установок, разнообразных методов проведения и контроля теплообменных процессов.

К современному теплообменному оборудованию относят теплообменник который был изобретён в 1998 году Плоским А.А., Банниковым Н.В., Громовым А.П., Суворовым А.П. и Федоровым Н.Н. (акционерное общество открытого типа "Чебоксарский завод промышленных тракторов"). Изобретение может быть использовано в теплообменниках для нагрева теплом газов жидкого теплоносителя. Изобретение позволяет компенсировать сердцевины теплообменников из сравнительно дешевых штампованных пакетов, обеспечивающих удобство их чистки в эксплуатации и должную турбулизацию теплоносителей.

Задачей данного изобретения является создание теплообменника, исключающего сварку при изготовлении пакетов сердцевины, а также обеспечивающего удобство чистки их в условиях эксплуатации и должную турбулизацию теплоносителей.

Поставленная задача достигнута здесь благодаря тому, что пакеты теплообменника, содержащего корпус с состоящей из штампованных пакетов сердцевиной и патрубками для подвода теплоносителей в соответствующие полости для вывода их из тех же полостей, выполнены в виде бесшовных труб с прямоугольными торцами, соседние боковые стороны которых совмещены друг с другом, а полости теплоносителей внутри пакетов и между ними образованы волнообразными углублениями на сплющенных боковых поверхностях пакетов, крайние из которых образуют боковые стенки корпуса. Указанная совокупность отличается от прототипа и не обнаружена среди аналогичных теплообменников -- аналогов в тракторной отрасли техники. Более подробное описание данного теплообменника представлено в приложении А.

Государственная морская академия им. адм. С.О. Макарова (Овсянников М.К., Петухов В.А.) в 1998 году разработала способ контроля тепловой эффективности теплообменного аппарата. Изобретение предназначено для использования в теплотехнике и металлургии. Применение предлагаемого способа в практике эксплуатации судовых теплообменных аппаратов позволит объективно и достаточно точно оценить эффективность работы теплообменных аппаратов и определить периодичность их профилактической чистки и других работ по техобслуживанию, снизить затраты и повысить эффективность технической эксплуатации теплообменных аппаратов различного типа и назначения, более качественно выполнять работы по их совершенствованию на стадии проектирования и технологии изготовления.

Это способ контроля тепловой эффективности теплообменного аппарата (ТА), включающий измерение входных и выходных значений температуры теплообменных сред, вычисление коэффициента тепловой эффективности ТА (теплового КПД ТА), отличающийся тем, что измеряют одновременно разности значений температур обоих теплоносителей ?tmax и ?tmin в установившемся режиме работы ТА, после чего вычисляют et по формуле:

et = 1 - (?tcp /?tmax ) , (15)

где:

?tcp = (?tmax - ?tmin )/(ln(?tmax /?tmin)), (16)

et -- коэффициент тепловой эффективности ТА;

?tmax -- максимальная разница значений температур теплоносителей на входе ТА;

?tmin -- минимальная разница значений температур теплоносителей на выходе из ТА;

и сравнивают его значения с критическим, добиваясь выполнения условия

et--і--etkp , (17)

Более подробное описание данного способа контроля тепловой эффективности теплообменного аппарата. представлено в приложении Б.

2 Расчет холодильника первой ступени

Рассчитаем необходимую поверхность теплообменника, в трубном пространстве, которого охлаждается со 160 до 110,8 °С толуол, с заданным массовым расходом GА = 2,92 кг/с.

В качестве охлаждающего теплоносителя применяем воздух под давлением P = 0,15 МПа.

2.1 Определение тепловой нагрузки

Тепловая нагрузка со стороны толуола рассчитывается следующим образом:

QА= GА•cА•( TА2-TА1 ), (2.1)

где GА - массовый расход толуола, кг/с; cA = 1530,8 Дж/кг·К - теплоемкость толуола, при его температуре tA= 135,4 °С [3].

QА= 2,92•1530,8•(160-110,8) = 219920,85 Вт.

2.2 Определение расхода и тепловой нагрузки воздуха

Тепловую нагрузку со стороны воздуха примем равной тепловой нагрузке со стороны толуола c учетом потерь тепла в окружающую среду:

QВ = в•QА, (2.2)

где в - коэффициент, учитывающий потерю тепла (примем его равным - 0,95).

QВ = 0,95•219920,85 = 208924,8 Вт.

GВ = QВ/[cВ•( TВ2-TВ1 )], (2.3)

где GB - массовый расход воздуха, кг/с; cВ = 1007,3 Дж/кг·К - теплоемкость воздуха, при его температуре tB = 42,5 °С [3].

GВ = 208924,8 /[1007,3•(60-25)] = 5,9 кг/с.

2.3 Вычисление средней разности температур теплоносителей

Принимаем схему движения теплоносителей - противоток.

Тогда разность температур на входе - Дtвх и на выходе - Дtвых из теплообменника соответственно равны:

Дtвх = |ТА1-ТВ2| = |160-60| = 100 °С;

Дtвых = |ТА2-ТВ1| = |110,8-25| = 85,8 °С.

Средняя разность температур теплоносителей:

Дtср = (Дtвх + Дtвых)/2, (2.4)

Дtср = (100 + 85,8)/2 = 92,9 °С.

2.4 Нахождение ориентировочной поверхности теплообмена Fор и выбор рассчитываемого теплообменника

Решение вопроса о том, какой теплоноситель направить в трубное пространство, обусловлено его температурой, давлением, коррозионной активностью, способностью загрязнять поверхности теплообмена, расходом и др. В рассматриваемом примере в трубное пространство целесообразно направить толуол, так как он является наиболее взрывопожароопасным теплоносителем. Это позволит снизить вероятность возникновения аварийной ситуации при эксплуатации теплообменника.

Ориентировочное значение поверхности:

Fор.= Q/(K•?tср), (2.5)

где К - приблизительное значение коэффициента теплопередачи.

В соответствии с таблицей 2.1[2] примем Кор= 45 Вт/м2•К.

Fор.= 219920,85/(45•92,9) = 52,9 м2

Рассчитаем необходимое число труб, приходящееся на один ход теплообменника

n/z = 4•GА/(р?dвн•µА• Reop), (2.6)

где n - число труб; z - число ходов по трубному пространству; dвн - внутренний диаметр труб, м;

Примем ориентировочное значение Reop= 15000 , что соответствует развитому турбулентному режиму течения в трубах. Очевидно, такой режим возможен в теплообменнике, у которого число труб, приходящееся на один ход, равно:

- для труб диаметром dн = 20Ч2 мм -

n/z = 4•2,92/(3,14•0,016•0,000009635•15000) = 1608,6;

- для труб диаметром dн = 25Ч2 мм -

n/z = 4•2,92/(3,14•0,021•0,000009635•15000) = 1225,6.

В соответствии с ГОСТ 15120-79 и ГОСТ 15122-79 соотношение n/z принимает наиболее близкое к заданному значению у теплообменника параметры, которого представлены в таблице 2.1.

Таблица 2.1 - Параметры кожухотрубчатого теплообменника согласно ГОСТ 15120-79 и ГОСТ 15122-79

Так как поверхность теплообмена стандартного теплообменника намного больше ориентировочного значения поверхности теплообмена, то принимаем решение установить нестандартный теплообменник параметры, которого представлены в таблице 2.2.

Таблица 2.2-Параметры нестандартного кожухотрубчатого теплообменника

2.5 Расчет коэффициента теплопередачи K

Коэффициент теплопередачи K рассчитывается по формуле (2.7):

К = (1/б1+дст/лст+rз1+ rз2+1/б2)-1, (2.7)

где б1 и б2 - коэффициенты теплоотдачи со стороны теплоносителей, Вт/(м2•К); лст - теплопроводность материала стенки, Вт/(м•К); дст - толщина стенки, м; 1/rз1 и 1/rз2 - термические сопротивления слоев загрязнений с обеих сторон стенки, Вт/(м2•К).

Сумма термических сопротивлений со стороны стенки и загрязнений равна:

Уд/л = дст/лст+ rз1+ rз2, (2.8)

При дст= 2 мм = 0,002 м, Для стали сталь 20 теплопроводность лст= 46,5 Вт/(м•К). 1/rз1 = 5800 Вт/(м2•К), 1/rз2 = 2800 Вт/(м2•К) [3], термическое сопротивление со стороны стенки равно:

Уд/л= 0,002/46,5+1/5800+1/2800 = 5,7?10-4 м2•К/Вт

Действительное число Re вычисляется по формуле:

ReA = 4•GА?z/(р?dвн•n•µА) (2.9)

ReA= 4•2,92•1/(3,14•0,021•747•0,000009635) = 24610,56

Коэффициент теплоотдачи со стороны толуола к стенке б1 равен:

б1 = л/dвн(0,023•Re0,8•(Pr/Prст)0,25•Pr0,4), (2.10)

где Ргст - критерий Прандтля, рассчитанный при температуре стенки tст.

РгA = cA•µА/лA = 1530,8•0,9635 •10-5 /0,022 = 0,67

Среднюю температуру воздуха определим, как среднее арифметическое его начальной и конечной температур:

ТВ = (ТВ1+ТВ2)/2 = (60+25)/2 = 42,5 °С

Среднюю температуру толуола определяется следующим образом:

ТA = ТB + Дtcp = 42,5 + 92,9 = 135,4 °С

Температуру стенки можно определить из соотношения

tст = Tср± Дt, (2.11)

где Tср - средняя температура теплоносителя, Дt - разность температур теплоносителя и стенки.

Расчет б1 - ведем методом последовательных приближений.

В первом приближении примем Дt1 = 60 °С. Тогда

tст1 =135,4 - 60 = 75,4 °С

РгАст=cAст•µАст/лAст= 1320,5•0,8348 •10-5 /0,0153 = 0,72

б1 = (0,0153/0,021)•0,023•24610,560,8•(0,67/0,72)0,25•0,670,4 = 65,68 Вт/(м2•К)

Для установившегося процесса передачи тепла справедливо уравнение:

q = б1?Дt1 = Дtст/(УДд/л) = б2?Дt2, (2.12)

где q - удельная тепловая нагрузка, Вт/м2; Дtcт - перепад температур на стенке, °С; Дt2 - разность между температурой стенки со стороны воздуха и температурой самого теплоносителя, °С.

Отсюда:

Дtст = б1?Дt1?(Уд/л) = 65,68?60?5,7 ?10-4 = 2 °С

Тогда

Дt2 = Дtср-Дtст-Дt1= 92,9-2-60 = 30,9 °С

Коэффициент теплоотдачи со стороны воздуха к стенке б2

Площадь сечения потока в межтрубном пространстве для подобранного теплообменника Sмтр= 0,143 м2, тогда

ReВ = GВ•dн/(Sмтр•µB) (2.13)

ReВ = 5,9•0,025/(0,143•0,00001926) = 53555

РгB = cB•µB/лB = 1007,5•0,00001926/0,0279 = 0,6955

б2 = (0,0279/0,025)•0,24•535550,6•0,69550,36 = 161,89 Вт/(м2•К)

Вычислим тепловые нагрузки со стороны каждого из теплоносителей:

- со стороны толуола -

q? = б1?Дt1 = 65,68•60 = 3940,8 Вт/м2;

- со стороны воздуха -

q? = б2?Дt2 = 161,89•30,9 = 5018,8 Вт/м2.

Как видим, q??q?.

Для второго приближения примем Дt1 = 65 °С.

Тогда

tст1 = 135,4-65 = 70,4 °С

РгАст = 1282,4•0,8116 •10-5 /0,0145 = 0,72

б1 = (0,022/0,021)•0,023•24610,560,8•(0,67/0,72)0,25•0,670,4 = 65,68 Вт/(м2•К)

Дtст = 65,68•65•5,7 •10-4 = 2 °С

Дt2 = 92,9-2-65 = 25,9 °С

tст2 = 42,5 + 25,9 = 68,9 °С

б2 = (0,0279/0,025)•0,24•535550,6•0,69550,36 = 160,18 Вт/(м2•К)

Тепловые нагрузки со стороны каждого из теплоносителей равны:

- со стороны толуола -

q? = 65,68•65 = 4269,2 Вт/м2;

- со стороны воздуха -

q? = 160,18•25,9 = 4148,8 Вт/м2.

Как видим, q? ? q?.

Расхождение между тепловыми нагрузками (2,8%) не превышает 5%, следовательно, расчет коэффициентов б1 и б2 на этом можно закончить.

Коэффициент теплопередачи равен:

К=1/(1/65,68+1/160,18+5,7•10-4) = 45,3 Вт/(м2К)

Найдем уточненное значение относительной тепловой нагрузки qср, как среднее арифметическое q? и q?

qср = (q? + q?)/2 = (4269,2 + 4148,8)/2 = 4209 Вт/м2

Известно, что относительная тепловая нагрузка связана с коэффициентом теплопередачи следующим образом:

q = K•Дtср (2.14)

Тогда выражение для нахождения уточненного значения требуемой поверхности теплообмена примет вид

F = Q/(K•Дtср) = Q/qср (2.15)

F = 219920,85/4209 = 52,25 м2

? = [(58,67-52,25)/58,67]•100% = 10,94%

Результаты уточненного расчета поверхности теплопередачи сведены в таблицу 2.3.

Таблица 2.3 - Результаты уточненного расчета поверхности теплопередачи

2.6 Расчёт гидравлического сопротивления теплообменника

Гидравлическое сопротивление в трубном пространстве ?pтр рассчитываем по формуле:

?pтр= л?L?z?w2тр?стр/2d +[2,5(z-1)+2z]•w2тр?стр/2+3 w2тр.ш?стр/2 (2.16)

Скорость толуола рассчитывается по формуле:

wтр = 4•GА?z/(р?d2вн?n?сА) (2.17)

Отсюда скорость будет равна:

wтр = 4•2,92•1/(3,14•0,0212 •747•2,74) = 4,1 м/с

Коэффициент трения в трубах рассчитывается по формуле:

л = 0,25{lg[e/3,7+(6,81/Reтр)0,9]}-2, (2.18)

где е = Д/dвн - относительная шероховатость труб; Д - высота выступов шероховатостей

е = 0,0002/0,021 = 0,0095

Отсюда коэффициент трения будет равен:

л = 0,25{lg[0,0095/3,7+ (6,81/24610,56) 0,9]}-2 = 0,04.

Скорость раствора в штуцерах рассчитывается по формуле:

wшт = 4•GА/(р•dшт2?сА) (2.19)

Отсюда скорость раствора в штуцерах будет равна:

wшт = 4•2,92/(3,14•0,32 •2,74) = 15 м/с.

Гидравлическое сопротивление в трубном пространстве:

?pтр = 0,04•1•1•4,12 •2,74/(0,021•2)+[2,5(1-1)+2•1]•4,12 •2,74/2+3•2,74•152/2 = 10147 Па.

Расчётная формула для определения гидравлического сопротивления в межтрубном пространстве ?pмтр имеет вид:

?pмтр=3•m•(x+1)•смтр w2мтр/2 Reмтр0,2+1,5•x•смтр2 w2мтр/2+3•смтр w2мтр.шт /2, (2.20)

где x - число сегментных перегородок, m - число рядов труб, преодолеваемых потоком теплоносителя в межтрубном пространстве.

Скорость воздуха в наиболее узком сечении межтрубного пространства площадью Sмтр= 0,143 м2, рассчитывается по формуле:

wмтр = GВ/(Sмтр?сВ) (2.21)

wмтр= 5,9•/(0,143•1,65) = 25 м/с

Число рядов труб, омываемых потоком в межтрубном пространстве,

__________ ___________

m = v(n-1)/3+0,25 = v(747-1)/3+0,25 = 15,78

округляя в большую сторону, получим m = 16. Число сегментных перегородок х = 0. Диаметр штуцеров к кожуха dмтр.шт = 0,3 м, скорость потока в штуцерах

wмтр.шт = 5,9•4/(3,14•0,32 •1,65) = 50,6 м/с

В соответствии с формулой (2.20) сопротивление межтрубного пространства равно

?pмтр= 3•16•(0+1)•1,65•252/(2•535550,2) + 1,5•0•1,652 •252/2 +3•1,65•50,62/2 = 9141,1 Па.

Результаты гидравлического расчета холодильника сведены в таблицу 2.4

Таблица 2.4 - Результаты гидравлического расчета

3 Расчет конденсатора паров толуола

Кожухотрубные конденсаторы предназначены для конденсации паров в межтрубном пространстве, а также для подогревания жидкостей за счет теплоты конденсации пара.

Рассчитаем необходимую поверхность теплообменника, в межтрубном пространстве, которого конденсируется толуол, с заданным массовым расходом GА = 2,92 кг/с, удельная теплота конденсации rА = 362031 Дж/кг, температура толуола ТА = 110,8 °С [3].

В качестве теплоносителя применяем толуол под давлением P = 0,5 МПа, который в трубном пространстве нагревается от 20 до 95 °С [3].

3.1 Определение тепловой нагрузки

Тепловая нагрузка аппарата:

QА = GА•rА, (3.1)

где GА - массовый расход толуола, кг/с; rA = 362031 Дж/кг - удельная теплота конденсации толуола, при его температуре tA= 110,8 °С [3].

QА = 2,92•362031 = 1057130,52 Вт

3.2 Определение тепловой нагрузки для второго теплоносителя - жидкого толуола и его расхода

Тепловую нагрузку со стороны второго теплоносителя примем равной тепловой нагрузке со стороны паров толуола c учетом потерь тепла в окружающую среду:

QС = в•QА, (3.2)

где в - коэффициент, учитывающий потерю тепла (примем его равным - 0,95).

QС = 0,95•1057130,52 = 1004274 Вт

Расход жидкого толуола на охлаждение:

GC = QС/[cА•(TС2-TС1)], (3.2)

где cС = 2062,53 Дж/кг·град - теплоемкость насыщенного водяного пара, при его давлении P = 0,5 МПа, и температуре tС= 57,5 °С [3].

GC = 1004274/[2062,53•(95-20)] = 6,5 кг/с.

3.3 Вычисление средней разности температур теплоносителей

Принимаем схему движения теплоносителей - противоток.

Тогда разность температур на входе - tвх и на выходе - tвых из теплообменника соответственно равны:

Дtвх = |ТА-ТC1| = |110,8-20| = 90,8 °С,

Дtвых = |ТА-ТC2| = |110,8-95| = 15,8 °С.

Средняя разность температур теплоносителей:

Дtcp?Дtcp.л=(Дtвх-Дtвых)/ln(Дtвх/Дtвых) (3.4)

Дtсp= (90,8-15,8)/ln(90,8/15,8) = 42,9 °С.

Среднюю температуру толуола определяется следующим образом:

ТС = ТА - Дtcp = 110,8-42,9 = 67,9 °С

3.4 Нахождение ориентировочной поверхности теплообмена Fор и выбор рассчитываемого теплообменника

Решение вопроса о том, какой теплоноситель направить в трубное пространство, обусловлено его температурой, давлением, коррозионной активностью, способностью загрязнять поверхности теплообмена, расходом и др. В рассматриваемом примере в трубное пространство целесообразно направить толуол для охлаждения паров толуола, которые, в свою очередь, будут конденсироваться в межтрубном пространстве. Ориентировочное значение поверхности:

Fор.= Q/(K•?tср), (3.5)

где К - приблизительное значение коэффициента теплопередачи.

В соответствии с таблицей 2.1[2] примем Кор = 400 Вт/м2•К.

Fор.= 1004274/(400•42,9) = 58,5 м2

Рассчитаем необходимое число труб, приходящееся на один ход теплообменника

n/z = 4•GС/(р?dвн•µС• Reop), (3.6)

где n - число труб; z - число ходов по трубному пространству; dвн - внутренний диаметр труб, м; коэффициент динамической вязкости толуола равен - µС= 0,3888• •10-3 Па•с.

Примем ориентировочное значение Reop = 15000 , что соответствует развитому турбулентному режиму течения в трубах. Очевидно, такой режим возможен в теплообменнике, у которого число труб, приходящееся на один ход, равно:

- для труб диаметром dн=20Ч2 мм -

n/z = 4•6,5/(3,14•0,016•0,0003888•15000) = 88,7

- для труб диаметром dн=25Ч2 мм -

n/z = 4•6,5/(3,14•0,021•0,0003888•15000) = 67,6

В соответствии с ГОСТ 15120-79 и ГОСТ 15122-79 соотношение n/z принимает наиболее близкое к заданному значению у теплообменника параметры, которого представлены в таблице 3.1.

Таблица 3.1 - Параметры кожухотрубчатого теплообменника согласно ГОСТ 15120-79 и ГОСТ 15122-79

3.5 Уточненный расчет поверхности теплопередачи

Коэффициент теплопередачи K рассчитывается по формуле (3.7):

К = (1/б1+дст/лст+rз1+ rз2+1/б2)-1, (3.7)

где б1 и б2 - коэффициенты теплоотдачи со стороны теплоносителей, Вт/(м2•К); лст - теплопроводность материала стенки, Вт/(м•К); дст - толщина стенки, м; 1/rз1 и 1/rз2 - термические сопротивления слоев загрязнений с обеих сторон стенки, Вт/(м2•К).

Сумма термических сопротивлений со стороны стенки и загрязнений равна:

Уд/л = дст/лст+ rз1+ rз2, (3.8)

При дст= 2 мм = 0,002 м, Для стали сталь 20 теплопроводность лст= 46,5 Вт/(м•К). 1/rз1= 5800 Вт/(м2•К), 1/rз2= 5800 Вт/(м2•К) [3] термическое сопротивление со стороны стенки равно:

Уд/л = 0,002/46,5+1/5800+1/5800 = 3,88 ? 10-4 м2•К/Вт.

Действительное число Re вычисляется по формуле:

ReС = 4•GС?z/(р?dвн•n•µС) (3.9)

ReС = 4•6,5•6/(3,14•0,016•316•0,0003888) = 25273,28.

Коэффициент теплоотдачи со стороны толуола к стенке б2 равен:

б2= л/dвн(0,023•Re0,8•(Pr/Prст)0,25•Pr0,4), (3.10)

где Ргст - критерий Прандтля, рассчитанный при температуре стенки tст.

РгС = cС•µС/лС = 2062,53•0,3888 •10-3 /0,128 = 6,62

Температуру стенки можно определить из соотношения

tст = Tср± Дt, (3.11)

где Tср - средняя температура теплоносителя, Дt - разность температур теплоносителя и стенки.

Расчет б2 - ведем методом последовательных приближений.

В первом приближении разность температур между толуолом и стенкой примем Дt2= 17 °С. Тогда

tст2 = 67,9 + 17 = 84,9 °С

РгСст = cСст•µСст/лСст = 2003,9•0,307 •10-3 /0,1218 = 5,05

б2 = (0,1218/0,016)•0,023•25273,280,8•(6,62/5,05)0,25•6,620,4 = 1325,14 Вт/(м2•К)

Для установившегося процесса передачи тепла справедливо уравнение:

Q = б2?Дt2 = Дtст/(УДд/л) = б1?Дt1, (3.13)

где q - удельная тепловая нагрузка, Вт/м2; Дtcт - перепад температур на стенке, °С; Дt1 - разность между температурой стенки со стороны паров толуола и температурой самого теплоносителя, °С.

Отсюда:

Дtст = б2?Дt2?(Уд/л) = 1325,14 ?17?3,88 ?10-4 = 8,75

Тогда

Дt1 = Дtср-Дtст-Дt2 = 42,9-8,75-17 = 17,15 °С

Коэффициент теплоотдачи б1 толуола, конденсирующегося на пучке горизонтально расположенных труб, определим по уравнению:

б 1=0,72?е?[(rА?сж2?лж3?g)/(мж•dн?Дt2)]1/4, (3.14)

где rА - теплота конденсации паров толуола, Дж/кг; dн - наружный диаметр труб; е - коэффициент, учитывающий то что при конденсации пара на наружной поверхности пучка из n горизонтальных труб средний коэффициент теплоотдачи несколько ниже, чем в случае одиночной трубы, вследствие утолщения пленки конденсата на трубах, расположенных ниже: аср = еб. При n > 100 приближенно можно принять е = 0,6 [2]; сж; лж; мж - соответственно плотность, кг/м3; теплопроводность Вт/(м•К); вязкость, Па•с; конденсата при средней температуре пленки:

tпл = TА-Дt1/2 (3.15)

tпл = 110,8-17,15/2 = 102,23 °С

Таблица 3.2 - Параметры rС, сж, лж, мж для толуола при температуре tпл = = 102,23 °С [3]

Подставляя данные таблицы 3.2 в выражение (3.14), получим:

б1 = 0,72•0,6•[(364674,7• 782,62 • 0,1173• 9,81)/(0,264 • 10-3 • 0,02 • 12,7)]1/4 = = 1104,96 Вт/(м2•К)

Вычислим тепловые нагрузки со стороны каждого из теплоносителей:

- со стороны паров толуола

q? = б1?Дt1 = 1104,96•17,15 = 18950 Вт/м2;

- со стороны толуола

q? = б2?Дt2 = 1327,75•17 = 22571,75 Вт/м2.

Как видим, q??q?.

Для второго приближения зададим Дt2 = 15 °С

Тогда

tст2 = 67,9+15 = 82,9 °С

РгАст = 1998,18•0,311 •10-3 /0,12229 = 5,08

б2 = (0,12229/0,016)•0,023•25273,280,8•(6,62/5,08)0,25•6,620,4 = 1331,12 Вт/(м2•К)

Дtст = 1331,12 •15•3,88•10-4 = 7,74 °С

Дt1 = 42,9-7,74-15 = 20,16 °С

tпл = 110,8-20,16/2 = 100,72 °С

Таблица 3.3 - Параметры rА, сж, лж, мж для толуола при температуре tпл = = 100,72°С [3]

Подставляя данные таблицы 3.3 в выражение (3.14), получим:

б1 = 0,72•0,6•[(368700• 7882 • 0,1183 •9,81)/(0,271 • 10-3 • 0,02 • 20,16)]1/4 =

= 1041,15 Вт/(м2•К)

Тепловые нагрузки со стороны каждого из теплоносителей равны:

- со стороны паров толуола

q? = б1?Дt1 = 1041,15 •20,16 = 20989,5 Вт/м2;

- со стороны толуола

q? = б2?Дt2 = 1331,12•15 = 19966,8 Вт/м2.

Очевидно, что q??q?.

Для третьего приближения зададим Дt2 = 15,5 °С

Тогда

tст2 = 67,9+15,5= 83,4 °С

РгАст = 2001,63•0,309 •10-3 /0,122 = 5,07

б2 = (0,122/0,016)•0,023•25273,280,8•(6,62/5,07)0,25•6,620,4 = 1328,6 Вт/(м2•К)

Дtст = 1328,6 •15,5•3,88•10-4 = 7 °С

Дt1 = 42,9-7-15,5 = 20,4 °С

tпл = 110,8-18,66/2 = 101,5 °С

Таблица 3.4 - Параметры rА, сж, лж, мж для толуола при температуре tпл = = 101,5 °С [3]

Подставляя данные таблицы 3.4 в выражение (3.14), получим:

б1 = 0,72•0,6•[(366343,5• 785,82 • 0,11793 • 9,81)/(0,27 • 10-3 • 0,02 • 20,4)]1/4 = 1049,52 Вт/(м2•К)

Тепловые нагрузки со стороны каждого из теплоносителей равны:

- со стороны паров толуола

q? = б1?Дt1 = 1058,85•18,66 = 21410,2 Вт/м2;

- со стороны толуола

q? = б2?Дt2 = 1328,6 •15,5 = 20593,3 Вт/м2.

Как видим, q? ? q?.

Расхождение между тепловыми нагрузками (3,8%) не превышает 5%, следовательно, расчет коэффициентов б1 и б2 на этом можно закончить.

Коэффициент теплопередачи равен:

К=1/(1/1058,85+1/1328,6 +3,88•10-4) = 479,59 Вт/(м2К)

Найдем уточненное значение относительной тепловой нагрузки qср, как среднее арифметическое q? и q?

qср = (q?+ q?)/2 = (21410,2 +20593,3)/2 = 21001,75 Вт/м2

Известно, что относительная тепловая нагрузка связана с коэффициентом теплопередачи следующим образом:

q=K•Дtср (3.15)

Тогда выражение для нахождения уточненного значения требуемой поверхности теплообмена примет вид

F = Q/(K•Дtср) = Q/qср (3.16)

F = 1057130,52/21001,75= 50,33 м2

Данный кожухотрубный теплообменник с длиной труб L = 3 м и поверхностью F = 60 м2, подходит с запасом:

? = [(60-50,33)/60]•100% = 16 %

Результаты уточненного расчета поверхности теплопередачи сведены в таблицу 3.5.

Таблица 3.5 - Результаты уточненного расчета поверхности теплопередачи

3.6 Расчёт гидравлического сопротивления теплообменника

Гидравлическое сопротивление в трубном пространстве ?pтр рассчитываем по формуле:

?pтр = л?L?z?w2тр?стр/2d +[2,5(z-1)+2z]•w2тр?стр/2+3 w2тр.ш?стр/2 (3.17)

Скорость толуола рассчитывается по формуле:

wтр=4•GС?z/(р?d2вн?n?сС) (3.18)

Отсюда скорость будет равна:

wтр= 4•6,5•6/(3,14•0,016 2 •316•830,4) = 0,739 м/с.

Коэффициент трения в трубах рассчитывается по формуле:

л = 0,25{lg[e/3,7+(6,81/Reтр)0,9]}-2, (3.19)

где е = Д/dвн - относительная шероховатость труб; Д - высота выступов шероховатостей

е = 0,0002/0,016 = 0,0125.

Отсюда коэффициент трения будет равен:

л = 0,25{lg[0,0125/3,7+ (6,81/25273,28) 0,9]}-2= 0,0434.

Скорость толуола в штуцерах рассчитывается по формуле:

wшт = 4•GС/(р?dшт2?сС) (3.20)

Отсюда скорость раствора в штуцерах будет равна:

wшт = 4•6,5/(3,14•0,12 •830,4) = 0,997 м/с.

Гидравлическое сопротивление в трубном пространстве:

?pтр=0,0434•3•6•0,7392•830,4/(0,016•2)+[2,5(6-1)+2•6]•0,7392•830,4/2+ 3•830,4•0,9972/2 = 17864,5Па.

Результаты гидравлического расчета кожухотрубчатого конденсатора сведены в таблицу 3.6.

Таблица 3.6 - Результаты гидравлического расчета