Лабораторный практикум

Интенсификация тепло- и массообменных процессов дает возможность увеличить производительность аппаратов при уменьшении их габаритов, металлоемкости, стоимости и соответствующем сокращении необходимых производственных площадей. При этом используются комплексные и декомпозиционные методы интенсификации.

Комплексные методы рассматривают технологическую установку как единое целое. Декомпозиционные же методы расчленяют установку на отдельные элементы (машины и аппараты) и связи между ними (технологические потоки). По области применения декомпозиционные методы можно разделить на две группы: режимно-технологические (РТ) и аппаратурно-конструктивные (АК). Использование РТ методов подразумевает нахождение оптимальных технологических параметров (температуры, давления, скоростей фаз и режимов их взаимодействия и т. п.). Методы АК оптимизируют конструктивные параметры (материальное исполнение, соотношение конструктивных размеров элементов, схем движения и распределения фаз по аппарату).

Учебный практикум включает три работы:

• в первой работе предлагается оценить эффективность теплообменного аппарата, предназначенного для нагрева или охлаждения технологического продукта;

• во второй работе необходимо провести сравнении работы тарельчатых контактных устройств, работающих в условиях ректификации бинарной смеси, по фактору интенсивности;

• третья работа связана с анализом ХТС и нахождением вычислительной последовательности расчета ее элементов.

Оформление отчета. Отчет должен содержать: название работы, цель работы, исходные данные, в соответствии с вариантом задания, необходимые расчеты, поясняющие графики и рисунки, полученные результаты с их анализом, выводы.

Работа № 1 определение эффективности работы теплообменного аппарата

1.1. Аналитический обзор.

Сразу же оговоримся, что все нижесказанное относится к теплообменным аппара­там рекуперативного типа. Принципиальная схема передачи тепла приве­дена на ри­сунке.

G₁, c_p1

G₂, c_p2

Q

Рис. 1.1. Схема передачи тепла в рекуперативном теплообменном аппарате

Теплоноситель с индексом один - греющий или горячий, имеющий массо­вый рас­ход G₁ и удельную теплоемкость с_р1; второй теплоноситель - нагреваемый. Тепловой по­ток Q имеет направление, указанное на схеме. Величина, определяе­мая как произведе­ние массового расхода на удельную теплоемкость, называется массовой теплоемкостью теплоносителя (W_j = G_jc_pj, j = 1, 2).

При выполнении тепловых расчетов используют следующие безразмерные ком­плексы:

A = W_min/W_max = T_min/T_max, (1.1)

R = W_max/W_min = T_max/T_min, (1.2)

, (1.3)

S = KF/W_min. (1.4)

Здесь S число единиц переноса теплоты - один из важнейших параметров, харак­те­ризующих эффективность переноса теплоты в теплообменном аппарате. Чем выше S, тем больший тепловой поток может быть реализован в аппарате дан­ной конструкции.

В зависимости от своего функционального назначения любой теплообмен­ный ап­парат можно рассматривать либо как нагреватель, либо как охладитель. Целью работы нагревателя является получение наибольшей разности температур нагреваемого теплоносителя. Поэтому . Данный параметр примет свое максимально возможное значение лишь при условии, что температура на вы­ходе нагреваемого темплоносителя сравняется с температурой на входе для греющего тепло­носителя, т.е. (смотри схему), а W₂  W₁. Для нагревателей

.

Цель работы охладителя - обеспечить наибольшее охлаждение греющего про­дукта, поэтому . Даже в идеальных условиях греющий теплоно­ситель не может иметь на выходе температуру ниже, чем поэтому , а W₁  W₂. Та­ким образом, для охладителей

.

Тепловой эффективностью  называют отношение действительно передан­ного количества теплоты Q к максимально возможному. Под максимально воз­можным Q_max = W_minT_max, понимается такое количество теплоты, при котором поток с меньшим значением массовой теплоемкости W_min будет покидать теп­ло­обменник, имея выходящую температуру, равную температуре на входе другого теп­лоносителя, следовательно

. (1.5)

Таким образом, эффективность есть функция числа единиц переноса, соот­ноше­ния массовых теплоемкостей и схемы движения теплоносителей в аппарате. На рис. 1.2 представлена зависимость эффективности от числа единиц переноса при R = 1.

1,0



0,5 1 2 3
0 4

0,2 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 S

Рис. 1.2. Изменение эффективности переноса тепла в аппарате: 1 - противоток; 2 -

идеальное поперечное течение; 3 - поперечное течение с частичным пе-

ремешиванием второй среды; 4 - прямоток

Из рисунка видно, что существует два режима работы теплообменников. При ма­лых значениях S (S < 0,2), эффективность определяется только процессом теплопере­носа; тип течения на величину  практически не влияет. При высоких значениях S, эф­фективность главным образом зависит от типа течения (схемы тока) и только очень слабо - от коэф­фициента теплопередачи К и площади по­верхности теплопередачи F, что необходимо учитывать при выборе типа тепло­обменника. Поэтому, прежде чем определить мероприятия по интенсификации ра­боты тепло­обменного аппарата необходимо оценить, в каком режиме он рабо­тает. Если окажется, что число единиц переноса тепла для данного аппарата ле­жит в интервале до 0,2, то должны быть реализованы методы интенсификации, влияю­щие, прежде всего на значе­ние коэффициента теплопередачи. Это измене­ние ха­рактерного линейного масштаба те­плообменного элемента, либо увеличе­ние ско­рости движения теплоносителей. В про­тивном случае, интенсифицировать работу аппарата целесообразней за счет выбора схемы дви­жения теплоносителей в нем.

Широко распространенные методы теплового расчета теплообменного ап­парата базируются на моделях с сосредоточенными параметрами. Изменяющиеся в общем слу­чае в результате изменения температур теплоносителей их теплофи­зические свойства, коэффициенты теплоотдачи и теплопередачи, а также темпе­ратурный напор в моделях с сосредоточенными параметрами принимают равно­мерно распределенными во всем объ­еме аппарата. Это допущение позволяет вос­пользоваться следующим соотношением для нахождения температурного напора

.

Вид уравнения для определения Т_ср зависит от граничных условий, зада­ваемых той или иной схемой тока при интегрировании. В практике проектирова­ния распростра­нен метод, основанный на использовании уравнения

, (1.6)

где _T - поправочный коэффициент, учитывающий отличие тепловой эффектив­ности рассматриваемой схемы тока от противотока. Для нахождения _T используются графические зависимости _T = f(P,R) [1], полученные для каждой изученой схемы тока, либо расчетные соотношения.

Схемы тока теплоносителей. В зависимости от взаимного направления по­токов теплоносителей в аппарате различают прямоток, противоток, однократный пере­крестный ток, многократный перекрестный ток и смешаный ток (см. табл. 1.1). Первые две схемы от­носят к параллельному току, когда оба теплоносителя, омывая разделяющую их стенку, движутся параллельно друг другу. Примером та­кого аппарата служат теплообменники типа "труба в трубе", спиральные.

При перекрестном токе направления течения теплоносителей перекрещива­ются под прямым углом или каким-либо другим углом. Эта схема может быть конструктивно организована поразному: иногда один теплоноситель течет внутри пучка параллельных труб, а другой теплоноситель омывает эти трубы снаружи в поперечном направлении. Наиболее ясной является организация перекрестного тока в пластинчатом теплообмен­нике, когда в одних каналах течет горячий тепло­носитель, а в других (через один) - хо­лодный теплоноситель.

Схемы однократного и многократного перекрестных токов, в зависмости от нали­чия градиента температуры в потоке теплоносителя в сечениях аппарата нормальных по отношению к направлению его движения, можно разделить на три вида. Первый, это ко­гда оба теплоносителя идеально перемешаны и градиенты их температур в указанном выше сечении равны нулю. Второй, когда один из тепло­носителей идеально перемешан, а другой не перемешан. И, наконец, третий, когда оба теплоносителя абсолютно не пере­мешаны. Например, жидкость протекает по трубам, а газообразный теплоноситель дви­жется перпендикулярно трубному пучку и может свободно перемешиваться в межтруб­ном пространстве. При этом его температура в сечении нормальном к направлению движения выравнивается. Поскольку жидкость проходит внутри труб отдельными не перемешиваемыми между собой потоками, то в сечении пучка всегда имеет место гра­диент темпера­тур. В рассмотренном примере газообразный теплоноситель считается идеально перемешанным, а жидкий теплоноситель - абсолютно не перемешанным.

Смешанным током называют такую схему взаимного движения теплоноси­телей, при которой оба потока текут преимущественно параллельно, но взаимная ориентация направлений может многократно меняться. К аппаратам с такой схе­мой тока относится большое число кожухотрубных теплообменников, у которых одна среда течет внутри пучка труб, ориентированных вдоль кожуха, а другая омывает пучок труб снаружи, дви­гаясь в межтрубном пространстве. При этом обе среды могут иметь по нескольку ходов.

Т а б л и ц а 1.1

Схемы тока теплоносителей и значения индекса р_э

Характеристика потока	Схема тока	рэ	Направление дви­жения теплоноси­телей
1	2	3	4
Прямоток Противоток Однократный пе­рекрестный ток		0 1 0,760 0,496 0,595 0,570	Параллельное, од­нонаправленное Параллельное, про­тивоположно на­правленное Взаимно перпенди­кулярное (оба теп­лоносителя абсо­лютно не переме­шаны) Взаимно перпенди­кулярное (оба теп­лоносителя иде­ально перемешаны) Не перемешан греющий теплоно­ситель Не перемешан на­греваемый тепло­носитель

Продолжение табл. 1.1

1	2	3	4
Смешанный ток при различном числе ходов		0,500 0,497 0,496 0,496	Одно- и противо­положно направ­ленное Два хода, В = 1 Четыре хода, В = 1 Шесть ходов, В = 1 Четное бесконеч­ное число ходов, В = 1

Продолжение табл. 1.1

1	2	3	4
Противоположно направленная по­дача теплоносителей		0,558 0,518 0,506 0,496	Три хода, В = 2 Пять ходов, В = 1,5 Семь ходов, В = 1,33 Нечетное беско­нечное число хо­дов, В  1

Продолжение табл. 1.1

1	2	3	4
Однонаправленная подача теплоносите­лей		0,434 0,472 0,484 0,496	Три хода, В = 0,5 Пять ходов, В = 0,67 Семь ходов, В = 0,75 Нечетное бес­конечное число ходов, В  1

Продолжение табл. 1.1

1	2	3	4
Многократный перекре­стный ток Прямоточное включение ходов Оба теплоносителя иде­ально перемешаны Nx = 2 Nx = 3 Nx = 4 Nx = 5 Nx = 6 Nx = 7 Не перемешан греющий теплоноситель Nx = 2 Nx = 3 Nx = 4 Nx = 5 Nx = 6 Nx = 7 Не перемешан нагреваемый теплоноситель Nx = 2 Nx = 3 Nx = 4 Nx = 5 Nx = 6 Nx = 7	Однонаправленное	0,124 0,055 0,032 0,020 0,014 0,010 0,127 0,056 0,032 0,020 0,014 0,010 0,126 0,056 0,032 0,020 0,014 0,010

Окончание табл. 1.1

1	2	3	4
Противоточное включе­ние ходов Оба теплоносителя иде­ально перемешаны Nx = 2 Nx = 3 Nx = 4 Nx = 5 Nx = 6 Nx = 7 Не перемешан греющий теплоноситель Nx = 2 Nx = 3 Nx = 4 Nx = 5 Nx = 6 Nx = 7 Не перемешан нагреваемый теплоноситель Nx = 2 Nx = 3 Nx = 4 Nx = 5 Nx = 6 Nx = 7	Противоположно направленное	0,876 0,946 0,970 0,981 0,987 0,990 0,881 0,949 0,971 0,982 0,987 0,991 0,882 0,949 0,972 0,982 0,987 0,991

П р и м е ч а н и е: В - отношение площади поверхности противоточных хо­дов к площади поверхности прямоточных ходов; N_x - число ходов.

В теплообменных аппаратах, работающих без изменения агрегатного со­стояния теплоносителей, наибольший тепловой поток при прочих равных усло­виях достигается в противоточной схеме, а наименьший - в прямоточной.

В регенеративных теплообменных аппаратах, когда греющий и нагревае­мый теп­лоносители проходят через насадку поочередно, реализуются две схемы движения - прямоток и противоток. Эффективность аппарата при противотоке те­плоносителей выше, чем при прямотоке. Для некоторых специально оговаривае­мых условий эффек­тивность противоточного регенеративного аппарата выше, чем рекуперативного.

Для формирования необходимого числа ходов по трубному пространству, что обеспечивает повышение скорости теплоносителя в трубах, устанавливают перегородки в распределительных камерах. При этом число ходов должно быть четным.

Эффективность можно определять либо по номограммам [1], либо по рас­чет­ным со­отношениям [2].

Уравнения для определения тепловой эффективности

при различных схемах тока

Схема тока

Уравнение

Противоток Прямоток Однократный перекрест­ный ток: оба теплоносителя абсо­лютно не перемешаны оба теплоносителя иде­ально перемешаны теплоноситель с Wmax идеально перемешан, теп­лоноситель с Wmin абсо­лютно не перемешан теплоноситель с Wmax аб­солютно не перемешан, теплоноситель с Wmin иде­ально перемешан Многократный перекре­стный ток: противоточное включение ходов прямоточное включение ходов параллельное включение ходов Реверсивный ток

(1.7) (1.8) (1.9) (1.10) (1.11) (1.12) , (1.13) где i - тепловая эффективность одного хода (элемента), кото­рый рассматривается как ТА с однократным перекрестным то­ком; i определяют по одной из формул (1.9) - (1.12); m - число ходов. (1.14) , (1.15) где Ai = A/m. (1.16)

Приближённое определение тепловой эффективности для любой схемы тока можно выполнить также по уравнениям Ф.Трефни [2]

,

либо по уравнению Г.Е.Каневца

,

где ; f_ - коэффициент схемы тока; p_э - индекс противоточ­ности, предложенный Н.И.Белоконем и учитывающий эффективность переноса теплоты рас­сматриваемой схемы тока (см. табл. 1.1); S = KF/W_min.

При изменении агрегатного состояния одного из теплоносителей, когда его тем­пература остается постоянной, следует считать, что теплоемкость теплоноси­теля, изме­няющего агрегатное состояние, является бесконечно большой, тогда , а А = 0. Это предельный случай, когда тепловая эффективность не за­висит от схемы тока, реали­зованной в аппарате.

1.2. Цель работы. Оценить эффективность работы теплообменного аппа­рата в заданных технологических условиях процесса.

Работа выполняется с использованием программных пакетов «Лаб­раб1а» или «Лабраб1б» для оболочки Mathcad (версии 8 и выше).

1.2.1. Исходные данные приведены в таблице 1.2.

Т а б л и ц а 1.2

Вар. №	Назначение и тип аппарата	Теплоноситель		Расход продукта G10-3, кг/ч	Температуры потоков, 0С				Р, МПа
		горячий	холод­ный
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
1	Холодильник кожухотрубный	Бензол C6H6	Вода	24	70	30	15	35
2	Холодильник кожухотрубный	Эти­ловый спирт CH3CH2OH	Вода	30	75	30	17	33
3	Холодильник кожухотрубный	Аце­тон CH3COCH3	Вода	15	55	28	14	28
4	Холодильник кожухотрубный	Бензол	Вода	12	60	35	20	40
5	Холодильник кожухотрубный	Хлор­бензол	Вода	20	100	40	22	45
6	Холодильник кожухотрубный	Этил­ацетат CH3COOC2H5	Вода	25	75	35	15	35
7	Холодильник кожухотрубный	Мети­ловый спирт CH3OH	Вода	18	60	25	16	32
8	Холодильник кожухотрубный	То­луол C6H5CH3	Вода	14	100	40	18	38
9	Подогреватель кожухотрубный	Водя­ной пар	Хлори­стый Ca, 25%	20	-	-	25	90	0,30
10	Подогреватель кожухотрубный	Водя­ной пар	Хлори­стый Na, 25%	22	-	-	30	95	0,35
11	Подогреватель кожухотрубный	Водя­ной пар	Хлори­стый этил	18	-	-	35	80	0,25
12	Подогреватель кожухотрубный	Водя­ной пар	CCl4	15	-	-	20	70	0,20
13	Подогреватель кожухотрубный	Водя­ной пар	Этило­вый спирт	10	-	-	25	75	0,20
14	Конденсатор кожухотрубный	Этило­вый спирт	Вода	15	-	-	20	40	0,10
15	Конденсатор кожухотрубный	Бензол	Вода	10	-	-	22	42	0,10
16.	Испаритель кожухотрубчатый	Водяной пар	Этиловый спирт	12	-	-	-	-	0,20
17.	Паровой подогреватель	Водяной пар	Воздух	10	-	-	30	138	0,40
18.	Паровой подогреватель	Водяной пар	Вода	25	-	-	30	60	0,40
19.	Конденсатор кожухотрубчатый	Аммиак Рабс=1,2 МПа NH3	Вода	0,2	95	30	15	25	-
20.	Паровой подогреватель	Водяной пар	Воздух	8	-	-	20	90	0,20
21.	Охладитель	Спирт бутиловый C4H9OH	Вода	2	90	50	18	35	-
22.	Охладитель сероводорода	Сероуглерод H2S	Вода	0,85 м3/ч	46,3	22	14	25	-
23.	Подогреватель	Водяной пар	Спирт метиловый	7	-	-	10	50	0,2
24.	Охладитель этилена	Этилен Р=0,2 МПа C2H4	Вода	Скорость этилена в межтрубном пространстве 7,5 м/с	80	30	20	55	-
25.	Охладитель толуола	Толуол	Вода	1,5	90	30	15	40	-
26.	Паровой калорифер	Водяной пар	Воздух	5200 м3/ч	-	-	2	90	0,20
27.	Охладитель диэтилового эфира	Эфир диэтиловый (C2H5)2O	Рассол с 20% хлористого натрия	5	33	6	-6	-2	-
28.	Охладитель азота	Азот Р=0,15 МПа N2	Вода	1240 м3/ч	76	31	16	26	-
29.	Конденсатор паров бензола	Пары бензола Р=0,1 Мпа	Вода	1	-	-	22	32	-
30.	Подогреватель глицерина	Глицерин (глицерол)	Водяной пар	3,5	-	-	18	90	0,32

П р и м е ч а н и е: ^* продукт кипит при атмосферном давлении

В таблице приведен массовый расход технологического продукта G, охлаж­даемого либо нагреваемого в аппарате указанной конструкции. Указаны начальные и конечные температуры продукта. В качестве хладоагента использу­ется промышленная вода с за­данной начальной и конечной температурами. В ка­честве греющего агента – насыщенный водя­ной пар при давлении Р.

1.2.2. Порядок выполнения работы:

• по рис. XI приложения [3] найти теплоемкости веществ при средней температуре теплоносителя;

• свойства насыщенного водяного пара (температура и теплота парообра­зования) находятся по таблице LV приложения [3];

• исходя из условий нагрева или охлаждения продукта, определяется теп­ловая нагрузка на аппарат Q, Вт;

• из уравнения теплового баланса находится расход воды либо водяного пара, кг/с;

• по практическим данным см. табл. 4-10 [3] принимается значение коэф­фициента теп­лопередачи К, Вт/(м²К);

• рассчитывается Т_ср.пр. для противоточного движения [3];

• находится ориентировочная величина требуемой поверхности теплообмена , м²;

• по разделу 5 приложения производится выбор аппарата, имеющего бли­жайшую большую теплообменную поверхность;

• сформировать условное обозначение выбранного аппарата в соответст­вии с рекомендациями приложения;

• по уравнениям (1.1), (1.2), (1.4) находятся параметры А, R и число еди­ниц переноса тепла в аппарате S;

• для выбранной конструкции теплообменного аппарата с помощью таб­лицы 1.1 уточняется схема тока теплоносителей;

• по уравнениям (1.7) - (1.16) с учетом принятой схемы тока теплоно­сите­лей рассчитывается эффективность аппарата ;

• из уравнения (1.5) определяется истинная величина движущей силы про­цесса переноса тепла в аппарате Т;

• приводится конструктивная схема аппарата с обвязкой (указание входа и выхода теплоносителей).