книги / Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии.-1
.pdfИмеем существенное расхождение между /ст. 1 и /ст. 1 (—Ю°С и — 8,5 °С), однако это не влияет на коэффициент теплопередачи ctf, так как критерий Прандтля эфира при —8,5 °С равен 4,9, что близко к Рг'т j = 5,0 при — 10 °С.
Итак, окончательно |
/СТв j = —8,5°С, /ст 8 = —11,1 °С. |
||||
2,4. Расчетная |
площадь |
поверхности |
теплопередачи! |
||
|
F'p = |
Q/q = |
86 500/6240 « 13,85 м2. |
||
С запасом 10 %: Гр = |
15,2 |
м2, |
|
||
Принимаем к установке аппараты длиной 3 м (ГОСТ 15120—79). Площадь |
|||||
поверхности теплообмена одного |
аппарата |
по среднему диаметру труб; |
|||
F = ndCï/iL =s 3,14*0,023* |
13-3 = 2,81 м2. |
||||
Необходимое число аппаратов: |
|
||||
|
N = |
Fp/F « 15,2/2,81 = 5,4. |
|||
Примем N = 6, Запас поверхности составляет при этом
FN * |
2,81 »6 — 13,85 100 = 21,3%. |
||
F1 |
|||
|
13,85 |
||
Масса одного аппарата диаметром 169 мм с трубами длиной 3 м равна М%я* |
|||
= 255 кг (ГОСТ 15120—79), |
масса |
элементного теплообменника, состоящего |
|
из N аппаратов: |
MXN = |
255-6 = 1530 кг. |
|
М * |
|||
Аппараты по варианта®} 1 |
и 2 имеют высокую металлоемкость (~100 кг/м1 |
||
поверхности теплообмена/ в этом |
их общий недостаток. Кроме того, оба ва |
||
рианта отличаются большим числом элементов и фланцевых соединений, что неудобно для обслуживания (замена прокладок, проверка герметичности и т. п.)* Поэтому целесообразно в качестве варианта рассмотреть кожухотрубчатый теп
лообменник |
большего |
диаметра, |
например |
аппарат |
Р =? 273 мм или 32б мм* |
||||||||
Вариант 3. |
Кожухотрубчатый |
холодильник |
диаметром |
D = |
273 мм с |
||||||||
трубами 25X2 мм (ГОСТ 15120—79). |
|
для рассола: |
|
|
|||||||||
3.1, Скорость |
и |
критерий |
Рейнольдса |
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
0,0081 |
|
0,635 м/с, |
|
||
|
|
|
|
0,785d2n |
|
0,785*0,0212*37 |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
где п = 37 — число |
труб |
(ГОСТ |
15118—79); |
|
|
|
|
||||||
|
|
ReB |
Р2 |
|
0,635 0,021 -1220 |
|
|
|
|||||
|
|
Р2 |
в |
|
7,165* 10"3 |
~ |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Скорость и критерий |
Рейнольдса для |
эфира: |
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
wx |
Vl |
|
0. |
0015 |
|
м/с; |
|
|
|
|
|
|
|
|
1, Ы04 |
0,136 |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
St |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
Rej е: WAP! |
|
0,136*0,025.733 |
|
10000, |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
Pi |
|
|
0,28*1О'3 |
|
|
|
|
|
где |
1 ,1 -10“* |
м2— проходное |
сечение |
межтрубного |
пространства |
||||||||
(ГОСТ 15120—79). |
|
|
|
|
|
|
|
à |
|
|
|
—10 °С, /с |
|
3.2. |
Для теплового расчета ориентировочнапримем /ст %= |
||||||||||||
= —1 1 °С. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
fCT. i : |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
а) Коэффициент теплоотдачи для эфира. |
|
|
|
|
|
||||||||
При Ref = 10 000 |
применим |
соотношение (4.31): |
|
|
|||||||||
Nu| « 0,4.0,6-10 ООО0-6.4,40'36 (4,4/5,0)0*25 « 97,5;
а[ = Nu,'*,,/d, = 97,5.0,136/0,025 = 530 ВтДм2-К). б) Коэффициент теплоотдачи для рассола.
Для выбора расче!ного соотношения при Rea = 2280 определим произве
дение Ре -j- (табл, 4.4) при средней температуре пограничного слоя ta
h « 0,5 (t2-+ /Ст. а) = 0,5 [—13,5 + ( - 1 1 )] = —12,25 °С и максимальной длине груб L = 3 м;
Q |
d |
wdip |
d |
0,635-2900* 1220*0,021 |
0,021 |
е |
L — |
A |
L |
--------------- (М7 |
g = 700. |
При Ре — > 20 применима формула (4.23):
» - ' М * 4 П - £ Г -
Примем в| e= 1; вязкость рассола: р ст - 6,35-10”3 при /ст я ==—11 °С;
«J = |
N u |
= |
14,0 0,470/0,021 = 313 Вт/(м2-К). |
||
Кочффиииет теплопередачи- |
|
|
|||
К' —■ |
1 |
1 |
|
1 |
-р - = 181 Вт/(М*-К). |
^ г + £ ' ст |
|
|
|
||
Щ |
530 + |
4,2,,° 1 + |
313 |
||
Поверлиосгная |
плотность |
теплового |
потока: |
|
|
q* = К ’ Л/Сю «= 181 • 16 *= 2900 Вт/м*. Проверка значений /ет х и /ст, а:
^ст. i = ^i — ~тг~— -р2,5 - 2900 |
: 2,5 —5,5« -3°С ; |
||
а, |
530 |
|
|
*СТ. 2 s : h + |
02 : —13,5 -{- |
2900 |
-4,2 °С. |
313 : |
|||
При этих значениях /ст. j |
и гст. 2 сделаем новый расчет. Введение поправки |
||
в коэффициент теплоотдачи для эфира не требуется, так как сомножитель
(Рг/РгСт)0,25 в новых условиях |
близок |
к таковому |
в предыдущем расчете. |
|||||||
Для |
рассола |
определяющая |
температура |
|
|
|
||||
|
h = |
0,5 (t2 + |
t&i. 2) « |
0,5 [-13,5 + |
(-4,2)] = -8 |
,8 5 °С. |
||||
Физические |
свойства |
рассола прн ?2 = —8,85СС: р = |
1220 кг/м3; с2 — |
|||||||
= 2910 |
Дж/Чкг-К); |
Щ =* 5,7-КГ3 Па с; |
X = |
0,48 |
Вт/(м-К). Тогда |
|||||
|
Ре = |
wdcpfk = 0,635-0,021 -2910 -1220/0,48 = 99 000; |
||||||||
|
|
|
|
|
|
99 000 — |
= 690. |
|
||
Как |
следует |
из |
сравнения произведений |
Ре — |
для |
рассматриваемых |
||||
значений /ст. 2 также близки и поэтому введение поправки в а 2 не требуется. Расчет теплопередачи окончен.
3.4.Расчетная площадь поверхности теплопередачи:
Fp = Q/<? = 86 500/2900 « 29,8 м2.
С запасом 10%: Fp = 32,7 м2.
Площадь поверхности теплопередачи одного аппарата с трубами L = 3 м:
Fx = ndCpnL = 3,14-0,023*37.3 — 8 м2.
Необходимое число аппаратов:
N' « f'p/f', = 32,7/8 « 4,1.
Принимаем Л/ = 4. Запас:
N F — F V 4-8 — 29,8
100 = 7,4
F' ~ 29,8
Масса одного аппарата D = 273 мм с трубами L — 3 м равна Af, = 553 кг. Масса всех аппаратов:
М « MrN = 553-4 = 2212 кг.
Из расчета следует, что дальнейшее уменьшение скорости рассола приведет к еще большему снижению коэффициента К и росту поверхности теплопередачи. Однако, учитывая то обстоятельство, что в более крупных аппаратах расход ме талла на единицу площади теплообмена меньше, чем в мелких аппаратах, выпол
ним расчет одноходового аппарата |
D = 400 мм с трубами 25Х 4 |
мм. |
||||||
Другим направлением может быть применение многоходовых аппаратов |
||||||||
(см. вариант 6). |
Кожухотрубчатый |
аппарат D — 400 мм |
одноходовый |
|||||
Вариант 4. |
||||||||
(ГОСТ |
15122—79). |
|
|
|
|
|
||
Расчет аналогичен предыдущему. Приведем здесь лишь окончательные |
||||||||
результаты. В аппарате с трубами длиной L = 6 м для эфира: Дох = |
0,0425 м/с; |
|||||||
Rex = |
2790; |
= |
292 Вт/(м2-К); для |
рассола: до2 = 0,261 м/с; Re£ = |
930; а 2 = |
|||
= 197 |
Вт/(м2-К). |
теплопередачи: |
К ~ 112 |
Вт/(м2-К). |
|
|
||
Коэффициент |
|
|
||||||
Поверхностная плотность теплового потока: q = 1790 Вт/м2. |
|
|
||||||
Расчетная |
площадь поверхности |
теплопередачи: |
|
|
||||
|
|
|
Fp — 86 500/1790 « |
48,4 м2. |
|
|
||
С |
запасом |
10 %: Fp = 53 ма. |
|
|
|
|
||
Площадь поверхности теплообмен» одного аппарата: |
|
|
||||||
|
|
|
Fx « ndCçtiL = |
3.14-0,023.111 -6 = 48,2 м2. |
|
|
||
Из сравнения F\ и Fp следует, что от аппарата с трубами L = |
6 м придется |
|||||||
отказаться, так как при ею применении нет запаса поверхности теплообмена
(при |
использовании аппарата с D = |
400 мм, L = |
6 м |
придется прибегнуть |
||||
к более холодному рассолу, чтобы |
повысить q за счет Д/ср). |
|
= |
|||||
Вариант 5. В |
аппаратах с трубами L = 4 м: ссх =s= 292 Вт/(м2-К); |
|||||||
с= 242 Вт/(м2-К); |
К — 125 Вт/(м2 К) |
Площадь |
поверхности |
теплообмена: |
||||
Fp = |
43,4 м2; с запасом 10 %: Fp = |
47,7 м2. Для одною аппарата Fi = 32,2 м2. |
||||||
Число аппаратов* |
N* -= 47,7/32,2 = |
1,48. Принимаем /V = 2. |
Запас nofiepx- |
|||||
|
04 4 _4 34 |
|
|
запас |
поверхности в этом |
|||
ности составит—* 43 4 *— 100— 48,5%. Как видим, |
||||||||
случае неоправданно велик. |
холодильник диаметр |
325 |
мм с трубами |
|||||
Вариант 6. Кожухотрубчатый |
||||||||
25X2 |
мм двухходовый (ГОСТ 15120—79). |
применения |
многоходового |
|||||
6.1 . Проверим |
возможность и целесообразность |
|||||||
аппарата, вычислив среднюю разность температур смешанного тока, восполь зовавшись соотношениями (4.80) и (4.81).
а) По формуле |
|
(4.80) |
Д/Ср « |
ед<Л/Ср пр. где |
е = / (P, |
R ): |
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
/ „ - ^ |
(— 12) — (— 15) |
|
- |
0,08; |
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
T , — tl |
|
|
25 — (— 15) |
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
» _ |
|
1 ± ^ т2 |
|
__ |
|
25- |
с—10) |
_ |
35 |
|
0 |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
t % |
- t x |
|
~ |
(—12) — (—15) ~ |
3 |
~ |
IZ |
|
|
|
|||||
На рис. VIII зависимость для R |
= |
12 отсутствует, что делает невозможным |
||||||||||||||||||||
определение |
ед^ по |
|
формуле |
(4.80). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
6) |
По (4.81): |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
А^ср |
|
|
|
|
|
А |
|
|
|
|
|
|
35,2 |
|
|
= |
14,5 К, |
|||||
|
2,3 Ig |
А/б + |
|
~h А |
|
2,3 1g |
37 + |
5 f |
35,2 |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
А/б + |
А/м — А |
|
|
37 + 5 — 35,2 |
|
|
|
|||||||||
где А/б = |
37; |
|
Д/м = |
|
5 (см |
расчет А/Ср при |
противотоке); |
|
|
|
|
|||||||||||
А = VЬТ* + |
6<а = |
V 125 — (—10)]г + |
[(— 12) — (— 15)]г = |
\f 35* + З2 = 35.2. |
||||||||||||||||||
Применение многоходового аппарата в нашем случае будет сопровождайся |
||||||||||||||||||||||
небольшим снижением А/Ср (с |
16 К до 14,5 К, т. е. в 1,1 раза). Следовательно, |
|||||||||||||||||||||
многоходовой |
аппарат |
применим. |
|
|
|
хода |
п х = |
26 |
шт., общее — |
|||||||||||||
6.2 |
|
По |
ГОСТ 15118—79 |
число труб одного |
||||||||||||||||||
п = 52 шт. |
Сечение |
одного |
хода |
трубного |
пространства |
S T |
= 0,785<РЯ| = |
|||||||||||||||
= 1*10_ 2 |
м3, |
проходное |
сечение |
межтрубного |
пространсгва |
(между |
перегород |
|||||||||||||||
ками) SMT= |
|
1,5*1СГа ма (ГОСТ |
15120—79). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
Скорость и критерий Рейнольдса для эфира |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,0014 |
0,0935 м/с; |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1,5-10-* |
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
Re,. |
tM iPi |
|
0,0935-0,025-733,6 |
= |
5920, |
V |
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,29-10_3 |
|
|
|
|
|
|
|
||
где H i |
и P , в з я т ы |
при |
средней |
температуре эфира |
/1 = |
<2 |
|
Л/с_ = |
—13,54- |
|||||||||||||
Ф 14,5 — 1 &С. |
|
|
|
|
Рейнольдса |
для рассола: |
|
|
|
|
|
|||||||||||
Скорость |
|
и критерий |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
К2 |
|
0,0081 |
„ 01 |
|
, |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
м/с: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Re |
4 |
|
=Р» |
_° ’81 0.021-1220 |
|
|
V |
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
Цг |
|
|
|
7,165-10"* |
|
|
|
|
|
|
|
|||
6.3. |
Для |
теплового |
расчета |
|
примем /ст. t = |
—6 °С, |
/ст. 2 = |
—8 °С. |
||||||||||||||
а) |
Коэффициент теплоотдачи для эфира. По формуле (4.31): |
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
Nu, = |
|
0.4-0,6-5920°-6.4,5°-36 (4,5/4,8J0'25 «= 74,5; |
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
а , = |
Nu, 74 /d, « |
74,5-0,136/0,025 = |
405 Вт/(м2- К). |
|
||||||||||||||
б) |
Коэффициент теплоотдачи для рассола. По рис. 4.1: |
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
Nibj = е р # 43 (Pr2/P rCT |
2)0,25 = 6-440’43 (44/33)0*25 = |
32,7; |
|
|||||||||||||||||
|
|
|
а 2 = |
Ки2л2/с(2 = |
32,7-0,473/0,021 = 736 Вт/(м2-К). |
|
||||||||||||||||
Коэффициент теплопередачи: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
К |
= |
|
-----------!-----------— = 235 Вт/(м2-К). |
|
|
|
||||||||||||
4Ш+ 4 -2-10“ + Ш
Поверхностная плотность теплового потока:
q=*K Д/Ср = 235.14,5 |
* 3400 Вт/м2. |
||
Проверка вначений |
/ст. Î и tCTmа; |
|
^ |
Д/j = |
q/ctx = 3400/405 = 8,4 |
К = 8,4СС; |
|
/Ст. |
— 8,4== 1 - 8 |
,4 = |
—7,4 СС; |
Д/а = |
<//аа = 3400/736 = |
4,6 |
K = 4 ,6 CQ |
/ст. 2 351 —13,5 + 4,6 = —8,9 К.
Введение поправки в расчет « ь <*2» К и q не требуется. Площадь поверхности теплопередачи:
Fp = 86 500/3400 = 25,4 м2.
С запасом 10 %: Fp = 27,9 м2.
Площадь поверхности теплопередачи одного аппарата по среднему диаметру
труб при L = |
4 м: |
|
|
Fj =3,14.0,023.52-4 = 15 м2. |
|
Число аппаратов: |
|
|
|
N' = FpfF\ = |
27,9/15 = 1,86. |
Принимаем N = |
2 шт. Запас: |
|
|
2-15 — 25,4 |
100 = 18%. |
|
25,4 ^ |
|
Масса двух |
аппаратов: A4 = 2-820 = 1640 кг. |
|
Вариант 7. |
Кожухотрубчатый аппарат диаметром 400 мм с трубами 20X2 мм |
|
двухходовый. |
|
|
7.1. Аппараты с трубами 20X2 мм обладают большей площадью поверхности теплообмена при тех же габаритных размерах, что, вероятно, позволит нам обой
тись одним аппаратом. В аппарате £> = |
400 мм, ST = |
1,7*10"а м, SMT — 3,0 X |
||||||||
X 10”2 |
м2 (ГОСТ |
15120—79). |
Число |
труб |
одного |
хода |
83, общее 166 |
|||
(ГОСТ 15118—79). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Для эфира: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0>1 |
Vt |
0,0014 |
=0,0467 м/с; |
|
|||
|
|
|
|
Si |
3-Ю’2 |
|
|
|
|
|
|
Rex 1 |
WidiPi 0,0467-0,020-733,6 |
=2370. |
|
||||||
|
“ 7^ |
|
0,29-10~3 |
|
||||||
Для рассола: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,0081 |
|
Л — |
|
|
|
|
|
"2~ Х |
= 1,7-10*"2 ~ 0,477 м/с* |
|
||||||
|
Re* |
|
|
0,477-0,016-1220 |
1300. |
|
||||
|
р* |
|
7,165* 10~3 |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|||||
7.2. Для теплового расчета |
примем |
/ст. i = —6 °С, /ст. s — —8 °С* |
||||||||
а) Коэффициент теплоотдачи для эфира: |
|
|
|
|||||||
а , = |
Nu, = |
5 ^ j^ O '4'O’6 '23700’6-4,50,36 ( ^ ) ° ‘25 = |
286 Вт/(м».К). |
|||||||
о |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5 |
О Павлов К Ф. и др
б) Коэффициент теплоотдачи для рассола* |
|
|||
Определим Ре — при 12 = |
0,5 (t2+ /ст. 8) = |
0,5 [—13,5 -f- f—6)| : |
||
=—10 °С и длине труб L = 6 м* |
|
|
||
Ре2 L - ■ ЬМ2Г2Р2 |
0,48 |
|
: 56 500.0,0025 «141} |
|
^2 |
L |
|
|
|
г/» ■■ A^Ntia |
0,48 |
|
|
|
d2 |
0,016 |
|
|
|
Коэффициент теплопередачи: |
|
|
|
|
|
К = |
1 |
: 125 |
Вт/(м8*К). |
|
|
|||
|
_!__ L 4 2* 10~J А__ L |
|
|
|
|
286 + |
^ 242 |
|
|
7.3.Площадь поверхности теплопередачи:
|
|
Q |
86 500 |
|
|
|
|
р |
К AvCp |
125-14,5 « |
47.8 ма. |
|
|
С запасом |
10 % : Гр = |
52,5 м2. |
|
|
(D = 325 мм, L « |
|
Площадь |
поверхности |
теплообмена одного аппарата |
||||
« 6000 мм): |
|
|
|
|
|
|
|
Fx ndçytiL » 3,14-0,018-166-6 « 56,5 |
ма. |
||||
Запас: |
|
|
|
|
|
|
|
|
56,5— 47,8 100 « |
17,8%. |
|
|
|
|
|
|
47,8 |
|
|
|
Масса аппарата. Mi = |
1890 кг. |
|
|
|
диэтилового эфира |
|
Сопоставление вариантов аппарата для охлаждения |
||||||
рассолом выполним по показателям, приведенным в табл. |
4.13 *. |
|||||
Наименьшую стоимость имеет |
аппарат типа |
«труба |
в |
трубе», однако он |
||
обладает существенным гидравлическим сопротивлением (по рассолу 10 Па), громоздок. Поэтому предпочтение следует отдать кожухотрубчатым аппаратам: элементному, состоящему из двух аппаратов D = 325 мм и L = 4 м или оди
ночному аппарату |
D = 400 мм, L = 6 м с |
трубами 20Х 2 мм. |
Пример 4.11 |
Рассчитать два варианта |
горизонтального кожухотрубчатого |
теплообменного аппарата для нагреза 20 т/ч толуола от 21 до 98 °С. Греющий водяной насыщенный пар имеет абсолютное давление р = 1,6 кгс/см2. В во дяном паре содержится 0,5 % воздуха.
1- й вариант: турбулентное течение толуола в трубном пространстве. 2- й вариант: ламинарное течение толуола в трубном пространстве.
Р е ш е н и е . Ввиду того, что в трубах нагревается толуол, а не вода и тем пература в трубах выше 60 °С, используем аппараты типа iH или ТК. Прини маем для межтрубного пространства ийдеке «1», для трубного— «2».
Температура конденсации водяного |
пара |
/контх « 112,7 °С (табл. LVH), |
|
Температурная схема: |
— |
112,7 |
|
112,7 |
|
||
21 |
—*98 |
|
|
Д/б = 91,7 |
|
Д/м = |
14,7. |
* Иены взяты по «Прейскуранту № 23—03. Оптовые цены на оборудование химическое. Часть 1. Стандартизованное химическое оборудование. Кн. Ь>, М.: Прейскурантиздат, 1981. — 348 с.
Холодильники для охлаждения эфира рассолом
Аппарат |
Количество |
Масса |
Цена 1 шт , |
Цена |
Металле» |
|
Nf шт |
1 ш т , |
руб. |
N им , руб |
емкость, |
||
|
|
|
кг |
|
|
кг/м* |
|
Т е п л о о б м е н н и к |
« т р у б а |
в т р у б е » (ГОСТ 9930—78) |
|||
Трубы |
16 |
100 |
~ 1 0 0 |
1600—1700 |
99,5 |
|
89X4 мм |
|
|
|
|
|
|
67X3,5 мм |
|
|
|
|
|
|
К о ж у х о т р у б ч а т ы е х о л о д и л ь н и к и о д н о х о д о в ы е |
||||||
|
|
|
(ГОСТ 15120—79) |
|
|
|
D = |
159 мм, |
6 |
255 |
345 |
2070 |
91,0 |
£ — 3 м, |
|
|
|
|
|
|
d = |
25X2 мм |
|
|
|
|
|
D — 273 мм, |
4 |
553 |
600 |
2400 |
69,5 |
|
L = |
3 м, |
|
|
|
|
|
d = |
25X2 мм |
|
|
|
|
|
|
|
К о ж у х о т р у б ч а т ы е т е п л о о б м е н н и к и |
||||
|
|
|
(ГОСТ |
15122—79) |
|
|
D = |
400 мм, |
1 * |
1750 |
1530 |
1530 |
36,5 |
L = |
6 м, |
|
|
|
|
|
d = |
25Х 2 мм |
|
|
|
|
|
D = |
400 мм, |
2 • • |
1290 |
1200 |
2400 |
40,3 |
L — 4 м, |
|
|
|
|
|
|
d — 25Х 2 мм |
|
|
|
|
|
|
К о ж у х о т р у б ч а т ы е х о л о д и л ь н и к и д в у х х о д о в ы е |
||||||
|
|
|
(ГОСТ 15120—79) |
|
|
|
D = |
325 мм, |
2 |
820 |
900 |
1800 |
54,7 |
L = |
4 м, |
|
|
|
|
|
d = |
25X2 мм |
|
|
|
|
|
D = |
400 мм, |
1 |
1890 |
1800 |
1800 |
33,5 |
1 = |
6 м, |
|
|
|
|
|
*Нет запаса поверхности теплопередачи.
**Запас слишком ветик (—48 %).
Средняя |
разносгь температур: |
|
|
|
||
|
А/б - А / ы |
9 1 ,7 -1 4 ,7 |
|
42,1 К. |
||
с р _ 2,3 Ig (Д/б/А/м) ~ 2,3 1g(91,7/14,7) “ |
’ С |
|||||
|
||||||
Средняя |
температура |
толуола: |
' |
|
|
|
|
/» = |
/, — Д/Ср = |
112,7 — 42,1 « |
70 °С. |
|
|
Расход толуола:
Сг = 20 000/3600 = 5,о6 кг/с; Vt = Са/р2 =, 5,56/820 = 0,00678 м*/о.
Здесь р2 = 820 кг/м8 — плотность толуола при 70 °С (табл. IV).
Расход теплоты на нагрев толуола?
|
Q = G%c%(/ан— *2н) *= 5,56.1800 (98 — 21) =771000 |
Вт, |
|
||||
где сй = |
1800 Дж/(кг-К) — средняя удельная теплоемкость толуола (рис, |
X I). |
|||||
Расход сухого греющего пара с |
учетом 7 % потерь теплоты: |
|
|||||
|
^ |
1.07Q |
1,07-771 000 |
= 0,37 кг/с, |
|
|
|
|
С |« —г ~ |
2227-103 |
|
|
|
||
где г = |
2227 •103 Дж/кг — удельная |
теплота |
конденсации |
водяного |
пара |
||
(табл. LV II).
Ориентировочно определяем максимальную величину площади поверхности теплообмена. По табл. 4.8 минимальное значение коэффициента теплопередачи для случая теплообмена от конденсирующегося водяного пара к органическим
жидкостям (подогреватели /Смин = |
120 Вт/(м2*К)). При этом |
|
|
|||||
^макс |
Q |
|
771 000 |
» 150 м2. |
|
|
||
^ мин Д^ср |
120*42,1 |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|||
Расчет первого варианта (Re2 > |
10 000). |
|
|
|
|
|||
Составляем схему процесса теплопередачи (по типу рис. 4.23), |
ско |
|||||||
Для обеспечения |
турбулентного |
течения толуола |
при Re2 > 10 000 |
|||||
рость в трубах должна быть больше ш2: |
|
|
|
|
||||
w |
|
10 000р2 |
10 000-0,36 * 10'3 |
= 0,209 м/с, |
|
|
||
|
|
р2 |
|
0,021 -820 |
|
|
|
|
где р2 = 0,36* 10"3 Па*с — динамический коэффициент |
вязкости |
толуола |
при |
|||||
70 °С (табл. IX). |
|
|
|
|
|
|
|
|
Число труб 25X2 мм, обеспечивающих объемный расход толуола при Re2 = |
||||||||
= 10 000: |
|
|
|
|
|
|
|
|
n’ — |
|
ï l _____________0.00678 |
|
93 7 |
|
|
||
0,785ф>; 0,785-0,021*-0,209 |
’ |
|
|
|||||
Условию п < 93,7 |
|
и F <С 150 м2 |
удовлетворяют (табл. 4.12) |
два теплооб |
||||
менника: |
|
|
|
|
|
|
|
|
а) четырехходовый диаметром 600 мм с числом труб на один ход трубиого пространства п = 52,5 (общее число труб 210);
б) шестиходовый диаметром 600 мм с числом труб на один ход трубного про
странства |
п — 33 (общее число труб 198). |
|
||
Выбираем четырехходовый аппарат, как более простой. |
||||
I. |
Коэффициент теплоотдачи для толуола. |
|
||
Уточняем значение критерия Re2: |
|
|||
|
|
Res = |
10 000 (n'ln) = 10 000 (93,7/52,5) = |
17 850, |
Критерий Працдтля для толуола при 70 °С: |
|
|||
|
|
Ргь = |
cyia/Xa* 1800-0,36* 10-3/0,1248 = |
5,19. |
Здесь |
= 0,1248 Вт/(м К) — коэффициент теплопроводности толуола прн |
|||
70 °С |
(рис. X). |
|
|
|
Расчетная формула (4.17): |
|
|||
NUj = |
0,021 •R ei^P r^43(P rj/P rCT 2)0,25е/ = 0,021 •17 8500*8-5,19°,4J X |
|||
|
|
|
X 1,05-1 = 112,7. |
|
Отношение (Pr2/PrCTe J 0*26принято равным 1,05 (с последующей проверкой)* Таким образом,
аа *= Nu2>,2/d2 = 112,7*0,1248/0,021 ==669 Вт/(м*-К).
' t Н . Коэффициент теплоотдачи при конденсации водяного пара на пучке го ризонтальных труб.
Расчет осуществляем приближенно (бе^ учета влияния поперечных перего родок) по формуле (4.54):
|
= ctCp = Ь28е у |
в |
2»02еВ* |
|
В |
нашем случае известно Gj = |
0,37 кг/с |
и п = 210. Поэтому |
используем |
зависимость a j « f (п9 L, G) с учетом влияния примеси воздуха (0,5 %): |
||||
at = |
2,02еегВ* (n/G^'L'** = 2,02-0,62*0,6-1048 (210/0,37) 1/eL1,s « |
6520Ll/», |
||
где е— коэффициент [см. формулу (4.53)], для шахматного расположения труб в пучке и при числе рядов труб по вертикали пв » 14 (табл, 4.12) е = 0,62
(рнс. |
4.7); ер — коэффициент, зависящий отсодержания воздуха в паре (рис. 4.9), |
|||||||||||
dp = |
0,6; |
Bf =s 104о (табл. |
4.6). |
|
|
|
|
|
|
|
||
Надо |
задаться длиной труб (по табл. 4.12 длины труб 2; 3; 4 и 6 м). За |
|||||||||||
даемся L = 3 м. Нели по окончании расчета будет принята другая длина труб, |
||||||||||||
то расчет необходимо скорректировать (с |
|
увеличением L при Gi = |
const ве |
|||||||||
личина аСр возрастает). Имеем: |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
о, = |
6520.3V* = |
9400 Вт/(мг-К). |
|
|
|||||
Принимаем тепловую проводимость загрязнений со стороны греющего пара |
||||||||||||
iZ/'earp. |
5800 |
Вт/(м*-К), |
со стороны |
толуола 1/г8агп.2 « |
5800 Вт/(ма*К) |
|||||||
(табл. X X X I). |
Коэффициент |
теплопроводности |
стали лот = |
46,5 |
Вт/(м-Ю |
|||||||
(табл. X X V III). Тогда |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
—I |
|
0,002 |
|
Ï |
“ |
258° |
Вт/(м*-К). |
|
|
|
|
|
5800 |
+ |
46,5 + |
5800 |
|
|
|
|
||
Коэффициент теплопередачи: |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
— |
= — j---------- Y-----------Г ~ =503 Вт/(“* К). |
||||||||
|
|
|
а Г |
"94ÔÔ"+ |
|
2580 |
+ |
669 |
|
|
||
Поверхностная плотность теплового потока:
<7 = К Д<Ср — 503-42,1 =» 21180 Вт/м*.
Проверяем принятое значение (Рг2/Ргст 2)0,25. Определяем
Д/2 = 9/Оа = 21 180/669 « 32 К « 32 °С;
|
|
/Ст. г = h + Д/* = 70 + |
32 = 102 °С; |
|
||
|
Ргст. * = |
Сет. Фет «Дет. * = |
1885-0,27.10-»/0,1163 = |
4,38. |
||
Здесь |
cctét |
1885 |
Дж/(кг К) |
(рис. |
XI); Ц0т. * = |
0,27-КГ» Па-с |
(табл. IX ); |
Ьст. , |
0,1163 |
Вт/(м-К) (рис. X). |
|
||
(Рг*/Ргст. s)0*25 » (5,19/4,38)0.** = 1,043.
Было принято (Рг2/РгСт. а)0,2& = Ь05. Разница ~0,7 %. Расчет /С закончен» Расчетная площадь поверхности теплообмена:
503*42,1771000 * 3 6 ,4 м2,
оКоэффициент теплоотдачи <Н= 9440 ^>а2 = 664 Вт/(м2*К)# поэтому рас*
четным диаметром при определении поверхности |
труб |
следует |
принять о2=» |
|||
* 0,021 м. |
|
площадь поверхности |
теплообмена: |
|||
Аппарат с L = 3 м имеет |
||||||
F » |
nd.nL » |
3,14-0,021 -210-3 = |
41,56 |
м2. ' |
|
|
Запас площади |
поверхности теплообмена: |
41 55_зб 4 |
199 3=8 14,2 |
|||
— |
^ |
4—~ |
||||
Запас площади поверхности теплообмена достаточен.
Принимаем один четырехходовый кожухотрубчатый теплообменник с вну
тренним диаметром кожуха 600 мм, числом труб 52,5/210 и длиной труб L = |
3 м. |
||
Ввиду того, что общая разность температур А/Ср =42,1 К близка к допуска |
|||
емой разности (/к — 1т)мак0 = |
40 К (табл. XXXV), |
принимаем аппарат |
типа |
ТН |
|
|
|
Определяем /СТв2: |
|
|
|
Af2 = qjtx2 = 21 180/669 = 31,659 К = |
31,659 °С; |
|
|
*ст. 2 = |
79,6 + 31,659 « 102,3 °С. |
|
|
На схему процесса теплопередачи типа рис. 4.23 нужно нанести уточненные |
|||
значения ^ст. I» ^ст 2 » |
Q» |
|
|
^Расчет второго варианта (Re2 < 2300).
Составляем схему процесса теплопередачи по типу рис. 4.23.
Для течения |
толуола при |
Re2 < 2300 скорость |
в трубах должна быть |
||
меньше w'2: |
|
|
|
|
|
tu. = |
2300р. |
2300-0,36. IO-3 |
=0,048 м/с, |
||
|
|
4 р2 |
0.021 -820 |
|
|
а число труб на |
один ход трубного пространсгва должно быть больше п'у |
||||
|
, |
V2 |
0,00678 |
|
= 408. |
|
|
0,785rffa4 |
0,785•0,0212• 0,048 |
||
Условно п > 408 и К 150 м2 удовлетворяет одноходовый кожухотрубчатый аппарат с внутренним диаметром кожуха 800 мм, площадью поверхности теплообмена от 74 до 226 м2 и общим числом труб п = 473 (табл. 4.12).
1 Коэффициент теплоотдачи для толуола. Уточняем величину критерия Рейнольдса:
Re2 = 2300 (n7n) = 2300 (408/473) = 1984.
Находим ориентировочное значение произведения критериев (Gr2Pr2). В ве личину критерия Gr2, а также в выражение определяющей температуры вхо дит величина Д/2 = 2— t2. Однако /ст. 2 определяется только в конце рас чета, поэтому величиной At2 надо задаваться.
Коэффициент теплоотдачи при конденсации водяного пара значительно больше коэффициента теплоотдачи при нагреве толуола (табл. 4.7), поэтому принимаем ориентировочно (с последующим уточнением):
разность температур Д/2 = 0,75 Д/Ср = 0,75-42,1 « 32 К ^ 32 °С;
Ж