Материал: расчеты теплооборуд

Для нагревающейся жидкости величиной (Prр/Prст)0,25 и ξl ( при L/d >1) можно пренебречь, тогда

Nuр=0,021Reр0,8Prр 0,43=0,021·191670,827,260,43=232,

где Pr р=27,26 – критерий Прандтля для рассола при средней температуре.

Коэффициент теплоотдачи от стенки внутренней трубы к рассолу αр=Nuр λр/dвн=232·0,51/0,04=2958 Вт/(м2К),

здесь λр=0,51 Вт/мК – теплопроводность рассола при средней температуре.

Коэффициент теплопередачи

К = 1/(1/αг+Σr+1/αр)=1/(1/1485+8,4·10-4+1/2958)= 513 Вт/(м2К).

Рассчитаем температуру стенки со стороны гексана

tст.г= tcр.г- К· tср/αг=25–513·35/1485=13 0С.

Критерий Прандтля для гексана Pr ст.г=5,0, а соотношение (Prг/Prcт.г)0,25 =1,02. Очевидно, что коэффициент теплопередачи уточнения не требует.

Поверхность теплопередачи

F = Q/(K tср) = 66621/(513·35)=3,7 м2.

Тогда число элементов в теплообменнике составит n=F/F1=3,7/0,83=4,45,

где F1=πdсрL=3,14(48+40)·10-3·0,5·6=0,83 м2 – поверхность теплообмена одной секции. Принимаем с допустимым запасом n=5.

Стандартные размеры теплообменника типа ТТ представлены в табл. 2.2. Рекомендуемые основные размеры и техническая характеристика элементов, а также их компановка дана в приложении в таблицах 3.1-3.3 и рисунках.

3.3. Расчет тепловой изоляции теплообменного

оборудования

Поверхность теплоиспользующего оборудования обычно покрывается слоем теплоизоляционного материала с целями:

снижение потерь тепловой энергии в окружающую среду;

соблюдения техники безопасности при обслуживании аппарата исключающего возможности ожога. Допустимая температура стенки недолжна превышать tст.из =40÷50 0С;

уменьшения тепловыделения в атмосферу производственных помещений.

Расчет тепловых потерь ведут из условия для неизолированных аппаратов в пределах (10÷15)% от полезно используемой теплоты Q и (1÷3)% для изолированных аппаратов.

Пример 3.3.

Определить величину тепловых потерь теплообменника типа ТН диаметром корпуса 1000 мм, длиной труб 600 мм и толщину слоя изоляции из асботкани. Теплообменник служит для нагревания раствора греющим паром с температурой tгп=132,9 0С. Температура окружающей среды tос=18 0С.

Решение.

Расчет теплопотерь Qп в окружающую среду проводим по основному

уравнению теплопередачи

температур между греющим паром и окружающей средой; Кп – коэффициент теплопередачи от пара в окружающую среду.

где αв коэффициент теплоотдачи воздуха к стенке при свободной конвекции определяется по приближенной формуле

αв=8,4+0,06·22=9,72 Вт/(м2К).

Для асботкани коэффициент теплопроводности по табл. 3.6

Тогда

λиз=0,13+0,00026·86,5=0,1525 Вт/(мК).

Рассчитаем из уравнения (3.18.) толщину необходимого изоляционного слоя

δиз=λиз(tгп-tст.из)/αв(tст.из-tос)=0,1525(132,9–40)/9,72(40–18)=0,066 м.

Пренебрегая в виду малости термическими сопротивлениями теплоотдачи со стороны пара и раствора, коэффициент теплопередачи от пара в окружающую

среду определяем по уравнению

Пример 3.4. Определить основные размеры спирального теплообменника для нагревания G2=30000 кг/ч водного раствора NH4NO3 с концентрацией 30 масс.% от t2н = 40 0С до температуры кипения при атмосферном давлении. Нагревание осуществляется насыщенным водяным паром с давлением 0,3 МПа.

Решение. Принимаем индексы: для пара – п, конденсата пара -1, раствора -2, н

–начальная температура, к – конечная.

Параметры насыщенного водяного пара при давлении Р = 0,3 МПа составляют: температура – tп =132,9 0С, теплосодержание – Iп = 2730 кДж/кг, удельная теплота парообразования – rп = 2171 кДж/кг, температура кипения раствора t2к

= 102,4 0С [2].

Температурная схема теплоносителей

132,9 0С132,9 0С

102,4 0С 40 0С

Таблица 3.6

Расчетные значения коэффициентов теплопроводности изоляционных материалов

Средняя разность температур

tср=( tб - tм)/ln( tб / tм )=(92,9 – 28,7)/ln (92,7/28,7) = 54,6 0С.

Средняя температура раствора

t2ср=tп- tср=132,9 – 54,6=78,3 0С.

По справочным данным теплофизические свойства 30% раствора NH4NO3 при средней температуре: теплопроводность λ2 =0,583 Вт/(мК); плотность ρ2=1093 кг/м3; коэффициент динамической вязкости - μ2=0,46·10-3 Па·с; критерий Прандтля Pr2=2,66; теплоемкость с2 =3378 Дж/(кгК).

Расход теплоты на нагревание раствора: Q=G2с2(t2.к-t2.н)/3600=30000·3378·(104,2–40)/3600 =1807200 Вт.

Расход греющего пара c учетом 1% потерь в окружающую среду

Dп=1,01Q/rп=1,01·1807200/2171000=0,84 кг/с.

Задаемся стандартными размерами спирального канала – шириной b=12 мм, высотой h=0,5 м (табл.2.4).

Тогда скорость движения раствора

W2=G2/(3600ρ2bh)=30000/(3600·1093·0,012·0,5)=1,27 м/с.

Эквивалентный диаметр канала

dэ=4bh/2(b + h)=4·0,012·0,5/2(0,012+0,5)=0,0234 м.

Критерий Рейнольдса для раствора

Re2=W2dэρ2 /μ2=1,27·0,0234·1093/0,46·10-3= 69111.

Для спиральных теплообменников при значении Re>2000 рекомендуется использовать критериальное уравнение аналогичное уравнению (3.6)

Nu=0,021Re0,8Pr0,43(Pr/Prст)0,25.

Примем в первом приближении (Pr/Prст)0,25=1. Nu=0,021·691110,8·2,660,43=240.

Коэффициент теплоотдачи от стенки к раствору α2=Nuλ2/dэ=240·0,583/0,0234=5980 Вт/(м2С).

Коэффициент теплоотдачи от пара к стенке

коэффициент динамической вязкости конденсата: λ1=0,686 Вт/(мК) – теплопроводность конденсата. Теплофизические параметры конденсата приняты при температуре конденсации.

Принимаем движущую силу процесса конденсации t1=tп– tст.1=0,1 tcр=0,1·54,6=5,46 0С ,

тогда tст.1=132,9 – 5,46=127,4 0С, α1=1,15[9,81·9322·0,6863·2171000/(0,000213·0,5·5,46)]0,25=11831 Вт/(м2К).

Cумма термических сопротивлений стенки Σr=rзаг.п+δст/λст+rзаг.р=0,00017+0,004/46,5+0,00017= 0,00043 (м2К)/Вт,

где rзаг.п и rзаг.р – термические сопротивления загрязнений со стороны пара и раствора (табл.3.3); δст=4 мм–толщина листов; λст=46,5 Вт/(мК) – теплопроводность стали.

Коэффициент теплопередачи

К = 1/(1/α1+Σr+1/2)=1/(1/11831+0,00043+1/5980)=1466 Вт/(мК).

Температура стенки со стороны раствора

tст.2=t2.ср+К· tср/α2=78,3+1466·54,6/·5930=92 0С.

Температура стенки со стороны пара

tст.1=tп-К· tср/α1=132,9 – 1466·54,6/11831=126 0С.

Уточняем коэффициенты теплоотдачи от стенки к раствору и от пара к стенке

α2 =α2(Pr/Prст.2)0,25=5980(2,66/2,3)0,25=6201 Вт/(м2К),

где Prст.2=2,3 – критерий Прандтля для раствора при 87,4 0С.

Средняя температура пленки конденсата

Тогда по формуле (3.22)

α1 =1,15[ 9,81· 9352·0,6863·2171000/(0,212·10-3·0,5·2,9)]0,25=7647 Вт/(м2 К).

Уточненный коэффициент теплопередачи К*=1/(1/7647 +0,00043+1/6201)=1389 Вт/(м2·К).

Поверхность теплообмена

F=Q/К* tср=1807200/1389·54,6=24 м2.

Действительную поверхность принимают больше расчетной до 15%. По табл.2.4 принимаем стандартный спиральный теплообменник с поверхностью Fд =25 м2. Здесь же даны основные параметры теплообменника.

3.5.РАСЧЕТ СМЕСИТЕЛЬНЫХ ТЕПЛООБМЕННИКОВ

3.5.1.Расчет барометрического конденсатора

Пример 3.5. Рассчитать полочный сухой конденсатор смешения (рис.3.1.) для конденсации Dп=6000 кг/ч насыщенного водяного пара. Необходимый вакуум в аппарате Рвак=600 мм рт.ст., охлаждающий агент – речная вода. Атмосферное давление Рат =760 мм рт.ст.

Расчет. Принимаем для барометрического конденсатора противоточную схему

где tвн и tвк –начальная температуры охлаждающей воды и смеси конденсата с охлаждающей водой; свн и свк - удельная теплоемкость охлаждающей воды и смеси при температурах tвн и tвк.