Ιv. Уточненый расчет коэффициента теплопередачи в зоне конденсации

Уточненный расчет коэффициента теплопередачи в зоне конденсации проводится с учетом температуры поверхности стенки. Для этого уточняем коэффициент теплоотдачи для воды в указанной зоне.

1. Зададим температуру стенки, с последующей ее проверкой:

t_cт1=56⁰С;

тогда t⁰ пленки конденсата четыреххлористого углерода

t_пл=(t_кон + t_ст1)/2 = (76,8 + 56)/2 = 66,4 ⁰С.

По справочной литературе [6] выбираем физико-химические константы для четыреххлористого углерода при t_ср=66,4⁰С. Таблица 5:

Таблица 5

№	Физико- химические константы	Размерность	Численные значения для четыреххлористого углерода
1	Плотность, ρ	кг/м3	1502,28
2	Теплопроводность,λ	Вт/м·К	0,101021
3	Динамическая вязкость, µ	Па·с	0,552·10-3

1.1 Коэффициент теплоотдачи конденсирующегося пара ССl₄ находим по уравнению:

;

где Н – высота поверхности зоны конденсации, определится по уравнению:

Н =F_конд/(π·d_cр·n) = 13,33/(3,14·0,023·90) = 2,05 м;

Δt – температурный напор в зоне конденсации: Δt=76,8-56=20,8 ⁰С.

(Вт/м²·К);

1.2. Определим удельную тепловую нагрузку в зоне конденсации ССl₄:

q₁=α₁(t_кон - t_ст1) = 758,251(76,8-56) = 15771,62 (Вт/м²);

4. Определяем температуру поверхности стенки со стороны воды

t_ст= t_ст1 – q₁·Σr_ст = 56-(15771,62·6,3·10^-4) = 46,06 ⁰С.

1.3. Коэффициент теплоотдачи для воды определяем с учетом множителя

(Pr/Pr_cт)^0,25 = (6,2/4,0)^0,25 = 1,1157, где

- Pr = 6,2 при t_воды=26,19⁰С;

- Pr_cт = 4,0 при t_ст1 = 46,06 ⁰С.

α₂= 4301,913·1,1157 = 4800,1147 (Вт/м²·К);

Определим удельную тепловую нагрузку в зоне конденсации для воды:

q₂ = α₂(t_ст-t_в) = 4800,1147(46,06 -26,19) = 95378,28 (Вт/м²).

2. Зададим следующее значение температуры стенки

t_cт2=65⁰С;

тогда t⁰ пленки конденсата четыреххлористого углерода

t_пл=(t_кон + t_ст2)/2 = (76,8 + 65)/2 = 70,9 ⁰С.

По справочной литературе [6] выбираем физико-химические константы для четыреххлористого углерода при t_ср=70,9 ⁰С, Таблица 6:

Таблица 6

№	Физико- химические константы	Размерность	Численные значения для четыреххлористого углерода
1	Плотность, ρ	кг/м3	1491,93
2	Теплопроводность,λ	Вт/м·К	0,0994468
3	Динамическая вязкость, µ	Па·с	0,525·10-3

2.1. По вышеприведенным зависимостям находим коэффициент теплоотдачи конденсирующегося пара ССl₄ для t_ср=70,9 ⁰С:

(Вт/м²·К);

здесь Δt=76,8-65 = 11,8⁰С

2.2. Определим удельную тепловую нагрузку в зоне конденсации ССl₄:

=α₁(t_кон - t_ст2) = 871,219(76,8-65) = 10280,334 (Вт/м²);

4. Определяем температуру поверхности стенки со стороны воды

t_ст= t_ст2 – q₁·Σr_ст = 65-(10280,334 ·6,3·10^-4) = 58,52 ⁰С.

2.3. Коэффициент теплоотдачи для воды определяем с учетом множителя

(Pr/Pr_cт)^0,25 = (6,2/3,2)^0,25 = 1,1798,

где

- Pr = 6,2 при t_воды=26,19⁰С;

- Pr_cт = 3,2 при t_ст1 = 58,52 ⁰С.

α₂= 4301,913·1,1798= 5075,5032 (Вт/м²·К);

Определим удельную тепловую нагрузку в зоне конденсации для воды:

= α₂(t_ст2-t_в) = 5075,5032 (58,52 -26,19) = 164091,01 (Вт/м²).

3. Для уточнения принятой температуры стенки построим зависимости:

q₁=f(t_ст1); q₂=f(t_ст1); =f(t_cт2); =f(t_cт2), точка пересечения этих зависимостей (рис. 4) будет соответствовать температуре поверхности стенки в зоне конденсации. Данные сведем в таблицу 7.

Таблица 7

Принятые значения температур стенки tст0С	q1, (Вт/м2)	q2, (Вт/м2)
56	15771,62	95378,28
65	10280,33	164091,01

На пересечении графиков получим точку, опустив перпендикуляр на ось температур, получим искомую температуру 52⁰С.

Тогда t⁰ пленки конденсата четыреххлористого углерода

t_пл=(t_кон + t_ст1)/2 = (76,8 + 52)/2 = 64,4 ⁰С.

По справочной литературе [6] выбираем физико-химические константы для четыреххлористого углерода при t_ср=64,4⁰С, Таблица 8:

Таблица 8

№	Физико- химические константы	Размерность	Численные значения для четыреххлористого углерода
1	Плотность, ρ	кг/м3	1512,63
2	Теплопроводность,λ	Вт/м·К	0,10258
3	Динамическая вязкость, µ	Па·с	0,578·10-3

Коэффициент теплоотдачи конденсирующегося пара ССl₄ для t_ср=64,4 ⁰С:

(Вт/м²·К);

где Δt = 76,8-52=24,8⁰С

Определим удельную тепловую нагрузку в зоне конденсации ССl₄:

=α₁(t_кон - t_ст2) = 695,326(76,8-52) = 17244,08 (Вт/м²);

Определяем температуру поверхности стенки со стороны воды

t_ст= t_ст2 – q₁·Σr_ст = 52-(17244,08 ·6,3·10^-4) = 41,13 ⁰С.

2.3. Коэффициент теплоотдачи для воды определяем с учетом множителя

(Pr/Pr_cт)^0,25 = (6,2/5,2)^0,25 = 1,0449,

где

- Pr = 6,2 при t_воды=26,19⁰С;

- Pr_cт = 5,2 при t_ст1 = 41,13 ⁰С.

α₂= 4301,913·1,0449= 4495,36 (Вт/м²·К);

Определим удельную тепловую нагрузку в зоне конденсации для воды:

= α₂(t_ст2-t_в) = 4495,36 (41,13 -26,19) = 67160,68 (Вт/м²).

Так как значения q₁ и q₂ сильно разнятся, имеет смысл принять другую температуру стенки с последующей проверкой.

Зададим следующее значение температуры стенки

t_cт2=45⁰С;

тогда t⁰ пленки конденсата четыреххлористого углерода

t_пл=(t_кон + t_ст2)/2 = (76,8 + 45)/2 = 60,9 ⁰С.≈ 60,0⁰С

По справочной литературе [6] выбираем физико-химические константы для четыреххлористого углерода при t_ср=60,0⁰С, Таблица 9:

Таблица 9

№	Физико- химические константы	Размерность	Численные значения для четыреххлористого углерода
1	Плотность, ρ	кг/м3	1514,7
2	Теплопроводность,λ	Вт/м·К	0,10289
3	Динамическая вязкость, µ	Па·с	0,584·10-3

Коэффициент теплоотдачи конденсирующегося пара ССl₄ для t_ср=64,4 ⁰С:

(Вт/м²·К);

где Δt = 76,8-45=31,8⁰С

Определим удельную тепловую нагрузку в зоне конденсации ССl₄:

=α₁(t_кон - t_ст2) = 684,599(76,8-45) = 21770,284 (Вт/м²);

Определяем температуру поверхности стенки со стороны воды

t_ст= t_ст2 – q₁·Σr_ст = 45-(21770,284 ·6,3·10^-4) = 31,2 ⁰С.

2.3. Коэффициент теплоотдачи для воды определяем с учетом множителя

(Pr/Pr_cт)^0,25 = (6,2/6,16)^0,25 = 1,00126,

где

- Pr = 6,2 при t_воды=26,19⁰С;

- Pr_cт = 6,16 при t_ст1 = 31,2 ⁰С.

α₂= 4301,913·1,00126= 4307,412 (Вт/м²·К);

Определим удельную тепловую нагрузку в зоне конденсации для воды:

= α₂(t_ст2-t_в) = 4307,412 (31,2 -26,19) = 21580,135 (Вт/м²).

Так как значения q₁ и q₂ отличаются не более чем на 0,8%, то уточненный расчет коэффициента теплопередачи ведется со значениями принятой температуры стенки.

(Вт/м²·К).

Требуемая поверхность конденсации

м²

Общая площадь теплообмена составит: F_общ = F_конд + F_охл;

F_общ = 13,33 + 1,148 = 13,33 (м²).

Следовательно, расчетным параметрам удовлетворяет выбранный ранее теплообменник со следующими характеристиками:

Аппарат четырехходовой;

Площадь F = 17м²;

длина труб L = 2500 мм;

число труб n = 90;

диаметр корпуса аппарата D = 400 мм;

диаметр труб d_труб = 25×2 мм.