8.1.2. Пример расчета конденсатора

Подобрать кожухотрубчатый теплообменник для конденсации 45000 кг/ч насыщенного пара смеси с массовой долей дихлорэтана 95 % и толуола – 5 % при атмосферном давлении. Охлаждающая среда – промышленная вода среднего качества с начальной температурой 20 ºС и конечной температурой 40 ºС Потери теплоты в окружающую среду примем в размере 5 % от полезной теплоты.

8.1.2.1. Схема аппарата приведена на рис. 8.6.

Рис. 8.6. Схема одноходового кожухотрубчатого конденсатора

Вода, нагреваясь, будет двигаться по трубному пространству теплообменного аппарата, а пар смеси дихлорэтан–толуол по межтрубному пространству. Пар подается в теплообменный аппарат сверху, в процессе теплопередачи конденсируется и снизу теплообменника отводится конденсат.

8.1.2.2. Средняя движущая сила процесса. Вода нагревается от 20 ºС до 40 ºС. Насыщенный пар смеси, дихлорэтан – толуола с давлением 100 кПа будет иметь температуру 85,0 ºС и при этой температуре будет происходить его конденсация.

S (l)

85 ºС

20 ºС

t

40 ºC

∆t_б

∆t_м

Рис. 8.7. График изменения температур теплоносителя в конденсаторе

ºС;

ºС;

.

Отношение , значит, средняя движущая сила процесса будет рассчитана как среднеарифметическое.

ºС.

8.1.2.3. Тепловая нагрузка и расход греющего пара. Составим уравнение теплового баланса. Часть тепла от пара переходит через стенку кожуха в окружающую среду.

.

Тепловая нагрузка в теплообменном аппарате:

.

.

.

Удельная теплота конденсации пара смеси органических веществ определяется по формуле:

,

где – массовая доля дихлорэтана в паре;

– удельная теплота конденсации дихлорэтана и толуола при температуре конденсации, Дж/кг.

Удельная теплота конденсации дихлорэтана при 85 °С составит Дж/кг, удельная теплота конденсации толуола при 85 °С составит Дж/кг [16].

Дж/кг.

Вт.

Определим тепловую нагрузку теплообменного аппарата:

Вт.

Определим расход воды в конденсаторе. Для этого сначала определим удельную теплоемкость воды при средней температуре потока равной °С.

Удельная теплоемкость воды при средней температуре потока равна Дж/(кг·К) [14].

Тогда расход воды составит:

кг/с.

8.1.2.4. Ориентировочная поверхность теплопередачи. Зададимся ориентировочным значением коэффициента теплопередачи от конденсирующегося пара органических веществ к воде = 800 Вт/(м²·К).

Тогда ориентировочная поверхность теплопередачи составит:

м².

8.1.2.5. Число труб на один ход в теплообменном аппарате. Зададимся критерием Рейнольдса, значение которого будет соответствовать турбулентному режиму движения теплоносителя по трубам диаметром 25×2 мм. И при этом значении критерия Рейнольдса определим скорость движения теплоносителя по трубам. Примем Re = 25000. Определим плотность и вязкость воды при средней температуре потока.

Плотность воды при 30 °С составит кг/м³ [14].

Динамический коэффициент вязкости воды при 30 °С составит Па ·с [14].

Тогда скорость потока в трубах составит:

м/с.

Число труб на один ход составит:

шт.

8.1.2.6. Подбор кожухотрубчатого теплообменного аппарата производится по ориентировочной поверхности теплопередачи и рассчитанному числу труб в теплообменном аппарате.

Выберем четырехходовой теплообменный аппарат типа ТК (так как разность температур между теплоносителями превышает 30 ºС) имеющий следующие параметры [25] (рис. 8.8):

Диаметр кожуха 0,8 м;

Число труб 404 шт.;

Число труб на один ход 101 шт.;

Поверхность теплообмена 95 м²;

Длина труб 3 м;

Число труб по вертикали 20 шт.

Рис. 8.8. Схема четырехходового кожухотрубчатого конденсатора

8.1.2.7. Истинная скорость движения потока по трубам и режим движения потока:

м/с;

.

Режим движения потока по трубам турбулентный.

8.1.2.8. Схема теплопередачи через стенку представлена на рис. 8.9.

Рис. 8.9. Схема теплопередачи через стенки труб конденсатора

8.1.2.9. Расчёт коэффициента теплоотдачи со стороны пара. Коэффициент теплоотдачи для пара, конденсирующегося на наружной поверхности пучка горизонтальных труб, рассчитывается по следующей формуле:

,

где – коэффициент, зависящий от числа труб по вертикали, 0,58;

– поправочная функция, учитывающая физические свойства конденсирующейся среды;

– коэффициент теплопроводности конденсата дихлорэтан-толуол при температуре конденсации, Вт/(м·К);

– плотность конденсата дихлорэтан-толуол при температуре конденсации, кг/м³;

– удельная теплота конденсации пара дихлорэтан–толуол, 201307 Дж/кг;

– ускорение свободного падения, 9,81 м/с²;

– динамический коэффициент вязкости конденсата дихлорэтан-толуол при температуре конденсации, Па·с;

– разность между температурой конденсации пара и температурой стенки со стороны пара, , ºС;

– наружный диаметр труб, м.

Коэффициент теплопроводности конденсата дихлорэтан–толуол при температуре конденсации равной 85 °С определяется по формуле:

,

где – коэффициент теплопроводности дихлорэтана и толуола при температуре конденсации пара, Вт/(м·К).

Коэффициент теплопроводности дихлорэтана при 85 °С составит Вт/(м·К), коэффициент теплопроводности толуола при 85 °С составит Вт/(м·К) [16].

Вт/(м · К).

Плотность смеси при температуре конденсации пара определяется по формуле:

где – плотность дихлорэтана и толуола при температуре конденсации пара, кг/м³.

Плотность дихлорэтана при 85 °С составит кг/м³, плотность толуола при 85 °С составит кг/м³ [16].

кг/м³.

Вязкость смеси при температуре конденсации пара определяется по формуле:

,

где – молярная доля дихлорэтана в смеси;

– динамический коэффициент вязкости дихлорэтана и толуола при температуре конденсации пара, Па·с.

.

Динамический коэффициент вязкости дихлорэтана при 85 °С составит Па·с, динамический коэффициент вязкости толуола при 85 °С составит Па·с [16].

;

Па·с.

Для дальнейшего расчета зададимся температурой стенки со стороны пара  ºС и определим коэффициент по следующей формуле:

,

где – коэффициент теплопроводности конденсата при температуре равной температуре стенки, Вт/(м·К);

– динамический коэффициент вязкости конденсата при температуре равной температуре стенки, Па·с.

Коэффициент теплопроводности дихлорэтана при 80 °С составит Вт/(м·К), коэффициент теплопроводности толуола при 80 °С составит Вт/(м·К) [16].

Вт/(м·К).

Динамический коэффициент вязкости дихлорэтана при 80 °С составит Па·с, динамический коэффициент вязкости толуола при 80 °С составит Па·с [16].

;

Па ·с.

Тогда:

.

Вт/(м²·К).

8.1.2.10. Удельный тепловой поток со стороны пара:

Вт/м².

8.1.2.11. Температура стенки со стороны потока. Термические сопротивления загрязнений со стороны органического пара составит (м²·К)/Вт [14]. Термические сопротивления загрязнений со стороны потока воды среднего качества составит (м²·К)/Вт [14].

_{Тогда сумма термических сопротивлений стенки с учетом загрязнений составит:}

_(м²_·К)/Вт.

ºС.

8.1.2.12. Расчёт коэффициента теплоотдачи от стенки к потоку воды. Так как изменения агрегатного состояния потока воды не происходит, коэффициент теплоотдачи будет рассчитываться через критериальное уравнение:

,

где – внутренний диаметр труб, м;

– коэффициент теплопроводности воды при средней температуре потока, 0,618 Вт/(м·К) [14].

Критерий Нуссельта при развитом турбулентном течении в прямых трубах и каналах рассчитывается по следующей формуле:

,

где – коэффициент, учитывающий влияние длины трубы (канала) на коэффициент теплоотдачи, = 1;

Pr – критерий Прандтля при средней температуре потока;

Pr_ст – критерий Прандтля при температуре потока равной температуре стенки со стороны потока.

,

где – удельная теплоемкость воды при средней температуре потока, 4180 Дж/(кг·К) [14];

– динамический коэффициент вязкости воды при средней температуре потока, 0,804·10 ^-3 Па·с [14].

.

Для расчета критерия Прандтля при температуре потока равной температуре стенки необходимо определить свойства потока при температуре стенки:

Удельная теплоемкость воды при 76,6 °С составит Дж/(кг·К) [14].

Коэффициент теплопроводности воды при 76,6 °С составит Вт/(м·К) [14].

Динамический коэффициент вязкости воды при 76,6 °С составит Па ·с [14].

.

Тогда критерий Нуссельта:

.

Вт/(м²·К).

8.1.2.13. Удельный тепловой поток со смеси:

Вт/м².

, значит, температура стенки принята неверно. Необходимо задаться новой температурой стенки со стороны пара и повторить расчет заново по пп. 8.1.2.9-8.1.2.13.

8.1.2.9´ Расчёт коэффициента теплоотдачи со стороны пара. Зададимся новой температурой стенки со стороны пара  ºС и определим коэффициент .

Коэффициент теплопроводности дихлорэтана при 70 °С составит Вт/(м·К), коэффициент теплопроводности толуола при 70 °С составит Вт/(м·К) [16].

Вт/(м·К).

Динамический коэффициент вязкости дихлорэтана при 70 °С составит Па·с, динамический коэффициент вязкости толуола при 70 °С составит Па·с [16].

;

Па·с.

.

Вт/(м²·К).

8.1.2.10´ Удельный тепловой поток со стороны пара:

Вт/м².

8.1.2.11´ Температура стенки со стороны потока:

ºС.

8.1.2.12´ Расчёт коэффициента теплоотдачи от стенки к потоку воды. Для расчета критерия Прандтля при температуре потока равной температуре стенки необходимо определить свойства потока при температуре стенки:

Удельная теплоемкость воды при 62,3 °С составит Дж/(кг·К) [14].

Коэффициент теплопроводности воды при 62,3 °С составит Вт/(м·К) [14].

Динамический коэффициент вязкости воды при 62,3 °С составит Па·с [14].

.

Тогда критерий Нуссельта:

.

Вт/(м²·К).

8.1.2.13´ Удельный тепловой поток со смеси:

Вт/м².

, значит, температура стенки принята неверно. Чтобы определить истинную температуру стенки со стороны конденсирующегося пара построим графическую зависимость удельного теплового потока от принятой температуры стенки, т.е.: и .

t_ст1 →

Рис. 8.10. График зависимости удельного теплового потока в конденсаторе от температуры стенки со стороны конденсирующегося пара

По графику (рис. 8.10) определим истинную температуру стенки со стороны пара и соответствующий удельный тепловой поток:

ºС.

Вт/м².

По найденному значению можно определить расчетное значение коэффициента теплопередачи и расчетную площадь поверхности теплопередачи:

Вт/(м²·К).

м².

, значит, выбранный теплообменный аппарат не подходит. Поэтому необходимо выбрать теплообменный аппарат больший по площади.

Выберем четырехходовой теплообменный аппарат типа ТК имеющий следующие параметры [25]:

Диаметр кожуха 0,8 м;

Число труб 404 шт.;

Число труб на один ход 101 шт.;

Поверхность теплообмена 127 м²;

Длина труб 4 м;

Число труб по вертикали 20 шт.

При этом у нас не изменится тип теплообменного аппарата и сохранится то же число труб на один ход, что позволит не производить пересчет всех параметров теплопередачи. Необходимо лишь определить запас площади поверхности теплопередачи во вновь выбранном теплообменном аппарате:

%.

Выбранный теплообменный аппарат подходит с запасом по площади поверхности теплопередачи 2,5 %.