Расчёт и подбор теплообменной аппаратуры для подогревания 5.5 кг/с 28%-го раствора ацетона в воде от 20 до 69 градусов

РАСЧЁТ И ПОДБОР ТЕПЛООБМЕННОЙ АППАРАТУРЫ

1.ПОДОГРЕВАТЕЛЬ ИСХОДНОЙ СМЕСИ

        Требуется рассчитать теплообменный аппарат для подогревания 5.5 кг/с 28%-го раствора ацетона в воде от 20 до 69 ^оС греющим водяным насыщенным паром. Пар имеет абсолютное давление 0.25 МПа. В водяном паре содержится 0.5% воздуха.

        Принимаем индекс «1» для горячего теплоносителя (водяной пар), индекс «2» - для холодного теплоносителя (исходная смесь).

        Температура конденсации водяного пара t_конд = 126 ^оС (табл. LVII). Температурная схема:

126  ___─___ 126

                                                    20____ → ___69

_______              _______

                                               t_б = 106               t_м = 57

       Средняя разность температур:

        Средняя температура исходной смеси:

        Расход смеси:

де r_f - плотность исходной смеси при 47 ^оС (табл.IV).

        Расход теплоты на нагрев исходной смеси Q = 1061000 Вт.

        Расход греющего пара с учётом 5% влажности Gг.п. = 0.51 кг/с.

        Ориентировочно определяем максимальную величину площади поверхности теплообмена. По табл. 4.8 минимальное значение коэффициента теплопередачи для случая теплообмена от конденсирующегося водяного пара к воде K_мин = 800 Вт/(м²_*К).

При этом:

         Для обеспечения интенсивного теплообмена подбираем теплообменный аппарат с турбулентным режимом течения теплоносителей. Исходная смесь подаётся в трубное пространство, а пар – в межтрубное пространство. Для обеспечения турбулентного течения смеси при Re₂ > 10000 скорость в трубах должна быть больше W’₂:

где m₂ = 0.53_*10^-3 мПа_*с - вязкость смеси при 47 ^оС;

 r₂ = 919 кг/м³ - плотность смеси при 47 ^оС;

d₂ = 0.021 м – внутренний диаметр труб для кожухотрубчатых теплообменников с трубами 25_*2 мм.

        Такой режим возможен в теплообменнике, у которого число труб, приходящееся на один ход, меньше:

- для труб диаметром 20_*2 мм:

           Как видно из табл. 2.3 теплообменники с близкой поверхностью имеют диаметр кожуха 273-325 мм.

           Целесообразно провести уточнённый расчёт следующих вариантов (см. табл. 2.3)

1) D = 273 мм; dн = 20_*2 мм; z = 1; n/z = 61/1 = 61;

2) D = 273 мм; dн = 25_*2 мм; z = 1; n/z = 37/1 = 37;

3) D = 325 мм; dн = 20_*2 мм; z = 2; n/z = 90/2 = 45;

4) D = 325 мм; dн = 25_*2 мм; z = 1; n/z = 62/1 = 62.

Уточнённый расчёт поверхности теплопередачи

ВАРИАНТ №1

                где m₂ = 0.53_*10^-3 мПа_*с - вязкость смеси при 47 ^оС;

                      с₂ = 3692 Дж/кг_*К - теплоёмкость смеси при 47 ^оС;

                      l₂ = 0.506 Вт/м_*К - коэффициент теплопроводности смеси при 47 ^оС.

           Коэффициент теплоотдачи к жидкости, движущейся по трубам турбулентно, рассчитывается по уравнению:

где e_l =1;

         Отношение   принимаю 1.1 (с последующей проверкой), тогда:

         В случае конденсации на пучке n вертикальных труб высотой H и диаметром d среднее значение коэффициента теплоотдачи рассчитывается по уравнению:

где Bt = 1083 (табл.4.6);

      n = 61;

     Gп = 0.51 кг/с;

     d = 0.02 м (наружный диаметр труб), тогда:

         Принимаем тепловую проводимость загрязнений со стороны греющего пара 1/r_1загр = 5800 Вт/(м²_*К); со стороны смеси 1/r₂загр = 2900 Вт/(м²_*К) – (табл.XXXI). Коэффициент теплопроводности стали  = 46.5 Вт/(м²_*К). Тогда:

         Коэффициент теплопередачи равен:

          Проверяем принятое значение  . Определяем поверхностную плотность теплового потока:

            Критерий Прандтля для смеси при температуре стенки:

Здесь с₂ = 4100 Дж/кг_*К (рис.X);

m₂ = 0.37_*10^-3 Па_*с (табл.IX);

 l₂ = 0.52 Вт/м_*К (рис.X).

             Разница ~3%. Расчёт K закончен.

             Требуемая поверхность теплообмена составит:

      Из табл.2.3 следует, что из выбранного ряда не подходит ни один теплообменник. Поэтому вариант №1 в качестве подогревателя исходной смеси не подходит.

ВАРИАНТ №2

       Коэффициент теплоотдачи к жидкости, движущейся по трубам турбулентно, рассчитывается по уравнению:

  где e_l =1;

           Отношение   принимаю 1.1 (с последующей проверкой), тогда:

           В случае конденсации на пучке n вертикальных труб высотой H и диаметром d среднее значение коэффициента теплоотдачи рассчитывается по уравнению:

где Bt = 1083 (табл.4.6);

 n = 37;

      Gп = 0.51 кг/с;

      d = 0.025 м (наружный диаметр труб), тогда:

          Принимаем тепловую проводимость загрязнений со стороны греющего пара 1/r_1загр = 5800 Вт/(м²_*К); со стороны смеси 1/r₂загр = 2900 Вт/(м²_*К) – (табл.XXXI). Коэффициент теплопроводности стали  = 46.5 Вт/(м²_*К). Тогда: