Введение

В результате изучения дисциплин, преподаваемых на кафедре ПиАПП, студент должен овладеть теоретическими знаниями об основных процессах и умением решать задачи по их расчету.

Контрольные работы предназначены для приобретения студентами навыков расчета основных процессов и проверки полученных знаний.

В настоящих методических указаниях приводятся конкретные примеры решения задач контрольной работы № 1 студентов заочной формы обучения и МИППС на темы «Теплообмен» и «Выпаривание». Даны все необходимые формулы, расшифровка входящих в них величин, пояснения и эскизы рассчитываемых аппаратов.

Рассмотрев пример решения задачи, студент получает представление о методике и последовательности решения задач аналогичного типа.

Настоящие методические указания могут быть использованы студентами очной формы обучения для подготовки к контрольным работам, зачету и экзамену на темы «Теплообмен» и «Выпаривание».

Примеры решения задач на тему «Теплообмен» Задача 1.1

Жидкость нагревается в горизонтальном кожухотрубном одноходовом теплообменнике от температуры = 24 С до = 88 С. Расход жидкости (20 % раствора сахара) - =100000 кг/ч. Греющий теплоноситель – водяной насыщенный пар давлением = 2,8 бар. Количество труб в пучке – = 91 шт.; их размеры: наружный = 32 мм, и внутренний – = 28 мм, диаметры; материал – нержавеющая сталь. Коэффициент теплоотдачи от пара к стенке - = 8500 Вт/(м²К). Со стороны жидкости на стенках трубок имеется слой загрязнений толщиной = 0,6 мм. Потери теплоты в окружающую среду составляют 3% от теплоты, полученной жидкостью.

Определить расход греющего пара и поверхность теплообмена. Нарисовать эскиз аппарата.

Решение

1. Расход греющего пара , кг/с, определим из уравнения теплового баланса

,

,

где – удельная теплота парообразования. Для пара давлением = 2,8 бар

=2170,6·10³ Дж/кг [1, табл. 11];

– тепловые потери;

– тепловая нагрузка теплообменника;

– удельная теплоемкость 20 %-го сахарного раствора, определяется по его средней температуре ⁰С и концентрации = 20 % из [1, стр. 22]:

Дж/кг·К,

где = .

Вт.

кг/с.

2. Площадь поверхности теплообмена определим из основного кинетического уравнения теплопередачи [2]

,

где , Вт/м²·К – коэффициент теплопередачи от пара к нагреваемой жидкости;

– средняя разность температур между теплоносителями (движущая сила).

Для расчета движущей силы процесса теплопередачи нарисуем график изменения температур теплоносителей вдоль поверхности теплообмена (приложение А, рисунок 1).

Рассчитаем большую и меньшую разность температур теплоносителей на концах теплообменника:

⁰С,

⁰С,

где – температура конденсации насыщенного водяного пара с давлением

= 2,8 бар [1, табл. 11].

Так как > 2, то рассчитываем по выражению:

⁰С.

Коэффициент теплопередачи от пара к нагреваемой жидкости рассчитаем по уравнению аддитивности термических сопротивлений:

,

где мм = 2∙10^-3 м – толщина стенки труб;

= 17 Вт/м·К и = 2 Вт/м·К – коэффициенты теплопроводности материала труб (нержавеющая сталь) и слоя загрязнений [1, табл. 7].

Коэффициент теплоотдачи от стенки труб к нагреваемой жидкости рассчитывается по выражению [2]

,

где – критерий Нуссельта;

= 0,028 м – внутренний диаметр трубы;

, Вт/м∙К – коэффициент теплопроводности нагреваемой жидкости при ее средней температуре ⁰С [1, стр. 24].

Вт/м∙К,

где – коэффициент теплопроводности воды при ⁰С [1, табл. 1];

– поправочный коэффициент [1, табл. 6];

– концентрация сахарного раствора, % масс.

Вид формулы для расчета критерия Нуссельта зависит от режима течения жидкости по трубам, который определяется значением критерия Рейнольдса. Критерий Рейнольдса рассчитаем по формуле

,

где – скорость течения жидкости по трубам, м/с, рассчитываем из уравнения расхода:

м/с,

где – плотность нагреваемой жидкости, кг/м³ при ⁰С [1, табл. 8];

– кинематическая вязкость нагреваемой жидкости, м²/с при ⁰С:

, м²/с

где – динамическая вязкость нагреваемой жидкости, мПа∙с [1, табл. 9].

>10000, поэтому режим течения жидкости в трубах – турбулентный, критерий Нуссельта рассчитывается по критериальному уравнению [2]:

,

где – критерий Прандтля:

,

Вт/м²·К,

Вт/м²·К,

м².

Ответ. = 3,18 кг/с; = 94 м².

Эскиз одноходового горизонтального кожухотрубчатого теплообменника для нагревания 20 %-го раствора сахара приведен в приложении А, рисунок 2.