Расчетно-графическая работа

«Расчет теплообменников»

ЯГТУ 240401.65 – 1-18 РГР

Задача №1, вариант №18

Работу выполнил

студент гр. ХТО - 31

Иванов П.С.

Подобрать кожухотрубчатый теплообменник для нагревания среды А при атмосферном давлении от температуры t₁ до t₂. Греющая среда – насыщенный водяной пар давлением Р. Потери тепла в окружающую среду примем в размере 5% от полезного тепла.

1) Схема кожухотрубчатого теплообменника:

Смесь бензола и толуола направляют в трубное пространство, а пар в межтрубное. Пар поступает в теплообменник при температуре конденсации. Конденсат – вода выходит при той же температуре. Эту температуру находят по таблице и она составляет t_конд=132,9 ⁰С (при 3 атм) [1, табл. LVII, с. 533].

Схема движения теплоносителей – прямоточная.

2) По таблице находим температуру кипения данной смеси, что составляет t _кип(см)=84,4 ⁰С

3) Рассчитаем среднюю разность температур:

∆t_б=112,9 ⁰С, ∆t_м=52,9 ⁰С, ∆t_б/∆t_м=112,9/52,9 = 2,134 > 2, среднюю разность температур определяем по формуле ∆t_ср = (∆t_б-∆t_м)/ln(∆t_б/∆t_м) = (112,9 -52,9)/ln(112,9/52,9) = 79,2 ⁰С.

4) Рассчитываем тепловую нагрузку теплообменника и расход греющего пара:

Q₁ = Q₂ + Q_потерь

Q₁ – тепло, которое пар отдаёт смеси

Q₂ - тепло, которое получает смесь

Q_потерь – потери тепла в окружающую среду (5% от Q₂)

Тепловая нагрузка Q = Q₂

Q₁ = Q₂ ∙1,05

Средняя температура смеси: t_ср = (t₁+t₂)/2 = (80+20)/2 = 50 ⁰С

Теплоёмкость смеси при 50 ⁰С: С_см = С_бенз*0,8 + С_тол*0,2 = 1801,7*0,8 + 1717,9*0,2 = 1724,94 Дж/кг*К, теплоемкости бензола и толуола определили по номограмме [1, рис. XI, с. 544]

G_см = 30000/3600 = 8,33 кг/с

Q = Q₂ = 8,33*1724,94*(80-20) = 862125 Вт

Удельная теплота парообразования воды при 132,9 ⁰С:

R_{парообр}= 2169 кДж/кг [1, табл. XLV, c. 524]

Q₁ = Q₂ *1,05 = 862125*1,05 = 905231,3 Вт

Q₁ = G_пара* R_{парообр}, G_пара = Q₁/ R_{парообр} = 905231,3/2169*10³ = 0,41 кг/с

5). Ориентировочный коэффициент теплопередачи от конденсирующегося водяного пара к органической жидкости примем К_ор = 340 Вт/м²*К [1, с. 169, табл. 4.8].

Ориентировочное значение поверхности теплообмена:

Определяем число труб на один ход:

,

В трубах должен быть турбулентный режим движения жидкости, поэтому задаёмся значением критерия Рейнольдса равным Re = 20000

Вязкость смеси: lg μ_см =x_б*lgμ_б + x_т*lgμ_т = 0,825*lg(0,46*10^-3) + 0,175*lg(0,44*10^-3) =-3.34 , μ_см = 0.457*10^-3 Па*с, где x_б, x_т – мольные доли бензола и толуола, вязкости при средней температуре определили по номограмме [1,с. 538, рис. V].

Плотность смеси: ρ_см = х_б/ρ_б + х_т/ρ_т =1/(0,8/847 + 0,2/837,5) = 845,1 кг/м³, где х_б, х_т – массовые доли компонентов, плотности жидкостей при средней температуре [1, с.495, табл. IV].

Ориентировочная скорость движения жидкости по трубам:

м/с.

Объёмный расход смеси: Q_см = G_см/ρ_см = 8,33/845,1 = 9,86*10^-3 м³/с.

, округляем до 56 труб.

6). Выбираем предварительный теплообменник одноходовой n=111 труб на один ход, площадь поверхности теплообмена F=35 м², диаметр кожуха внутренний d_кожуха=400 мм, число труб по вертикали n_в=11, внутренний диаметр труб d_внутр=0,021 м, длина труб 4,0 метра по ГОСТ 15120-69.[1,с. 211, табл. 4.14]

7). Пересчитываем скорость смеси:

м/с.

, получаем турбулентный режим движения жидкости по трубам.

8) Схема теплопередачи:

Задаёмся t_ст1 = 129 ⁰С,

Разность температур: ∆t = t_конд – t_ст1 = 132,9 – 129 = 3,9 ⁰С.

ε_t – коэффициент, учитывающий зависимость физических свойств конденсата от температуры принимаем равным 1.

Определяем коэффициент теплоотдачи от пара: для водяного пара в случае конденсации на пучке горизонтальных труб при ε_t = 1:

Вт/м²*К, где

ε – коэффициент, зависящий от расположения труб в пучке и расчётного числа труб в каждом вертикальном ряду. Его определяем по графику для коридорного расположения труб при n_в=11.[1, с. 160, рис.4.7]

А_t – находим интерполяцией по таблице [1, с. 160, табл. 4.6]

Удельный тепловой поток от пара: q_пара = α_пара* ∆t = 8446,8*3,9 = 32945,52 Вт.

9). Определяем термическое сопротивление стенки с учётом сопротивления обеих сторон:

м²*К/Вт

Материал стенки – чугун, коэффициент теплопроводности λ_ст = 46,5 Вт/м*К [1, с. 512, табл. XXVIII], тепловая проводимость загрязнений стенок от органических жидкостей и пара r_загр = 1,72*10^-4 м²*К/Вт.[1, с. 514,табл. XXXI]

t_ст2 = t_ст1 – q_пара*∑r_ст = 129 – 32945,52*(3,87*10^-4 ) = 116,3 ⁰С.

10). Определяем Pr и Nu:

Критерий Прандтля для смеси определяем по номограмме [1, с. 546, рис. XIII] при средней температуре смеси и при t_ст2:

При 50 ⁰С: Pr₁ = 0,8*Pr_б + 0,2*Pr_т = 0,8*7 + 0,2*5 = 6,6,

При 116,3 ⁰С: Pr₂ = 0.8*5.1 + 0.2*2.7 = 4.62.

Критерий Нуссельта:

,

где ε_l – коэффициент, учитывающий влияние входа смеси в трубу, принимаем его равным 1.

11). Коэффициент теплоотдачи смеси при 50 ⁰С:

Вт/м²*К

Коэффициент теплопроводности смеси находим по диаграмме [1, с. 543, рис. X]: λ_см = 0,138 Вт/м*К.

Удельный тепловой поток от смеси: q_см = α_см*(t_ст2 - t_ср)=458,2*(116,3-50) = =30378,7 Вт.

q_пара > q_см - температура стенки выбрана неправильно.

12). Задаёмся новым значением t_ст1 = 119 ⁰С.

Разность температур: ∆t = t_конд – t_ст1 = 132,9 – 119 = 13,9 ⁰С.

Вт/м²*К

q_пара = α_пара* ∆t = 6132,6*13,9 = 85243,1 Вт

t_ст2 = t_ст1 – q_пара*∑r_ст = 119 – 85243,1*(3,87*10^-4 ) = 86 ⁰С

При 50 ⁰С: Pr₁ = 0,8*Pr_б + 0,2*Pr_т = 0,8*7 + 0,2*5 = 6,6,

При 86 ⁰С: Pr₂ = 0.8*6 + 0.2*3,5 = 5,5.

Вт/м²*К

q_см = α_см*(t_ст2 - t_ср)=436,1*(86-50) = 6977,6 Вт.

q_пара > q_см, условие стационарного теплообмена не соблюдается, поэтому строим график зависимости удельных тепловых потоков от t_ст1, по нему находим истинные значения t_ст1 = 129,5 ⁰С и q_ист = 32500 Вт.

13). Находим значение коэффициента теплопередачи:

К = q_ист/∆t_ср = 32000/72,9 = 439 Вт/м²*К

Площадь теплообмена: F = Q/q_ист = 862125/32500 = 26 м².

По таблице [1,с. 211, табл. 4.14] подбираем следующий теплообменник:

Список литературы.

1. Павлов К.Ф., Романков П. Г., Носков А. А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии: Учебное пособие для вузов/Под ред.чл.-коор. АН России П.Г. Романкова.-12-е изд., стереотипное. Перепечатка с издания 1987 г.М.:ООО ТИД «Альянс», 2005.-576 c.

Дата добавления: 2015-07-26; просмотров: 332; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!