Задача 35

В теплообменнике производится охлаждение 10 т/ч бензола от 75 °C до 35 °C. В качестве хладагента используется вода, температура которой меняется от 20 °C до 30 °C. Тепловыми потерями пренебречь. Определить ориентировочную поверхность теплообменника и подобрать под неё стандартные кожухотрубчатый, двухтрубный и пластинчатый теплообменники.

Решение

Теплагент – бензол (охлаждение).

Хладагент – вода (нагрев).

Рассмотрим противоток теплоносителей в одноходовом теплообменнике, как самый распространённый случай (рис. 18).

Рис. 18. Профиль температур теплоносителей по длине труб одноходового кожухотрубчатого холодильника при противотоке

Бóльшее и меньшее значение движущей силы в теплообменнике:

,

.

Среднее логарифмическое значение движущей силы:

.

Изменения температур теплоносителей:

, .

Для теплоносителя с меньшим изменением температуры среднюю интегральную температуру можно принять равной средней арифметической. Поскольку , среднее значение температуры хладагента:

.

Среднее значение температуры теплагента:

среднее арифметическое ,

среднее интегральное .

Массовый расход теплагента: .

Теплоёмкость теплагента при средней арифметической температуре:

[2, с. 18].

Теплоёмкость хладагента при средней арифметической температуре:

[2, с. 4].

Расход тепловой энергии, выделяющейся при охлаждении теплагента:

.

При отсутствии тепловых потерь: .

Массовый расход хладагента:

.

Ориентировочные значения коэффициента теплопередачи от жидкости к жидкости (когда обе жидкости органические или одна из жидкостей органическая) при вынужденном движении теплоносителей [1, с. 172, табл. 4.8]: .

Кожухотрубчатый теплообменник

Для кожухотрубчатого теплообменника выбираем середину интервала:

.

Ориентировочная поверхность теплопередачи кожухотрубчатого теплообменника: .

Выбираем из [4, с. 52, табл. 2.3] теплообменник с такой площадью поверхности, чтобы запас по поверхности составлял от 5 до 30 %. Минимальная и максимальная площади поверхности теплопередачи такого теплообменника составляют:

,

.

Массу теплообменника находим по [4, с. 56, табл. 2.8].

Подходят теплообменники:

Поверхность, м2.	46	42	47	49	47	42	40	40	49	46
Диаметр кожуха, мм.	400	400	400	600	600	600	600	600	600	600
Диаметр труб, мм.	20×2	20×2	25×2	20×2	20×2	20×2	20×2	25×2	25×2	25×2
Число ходов.	1	2	2	1	2	4	6	1	4	6
Общее число труб	181	166	100	389	370	334	316	257	206	196
Длина труб, м.	4,0	4,0	6,0	2,0	2,0	2,0	2,0	2,0	3,0	3,0
Масса, кг.	1430	1370	1600	1540	1650	1650	1650	1350	1480	1480

Выбираем теплообменник с наименьшей массой.

Характеристики теплообменника:

площадь поверхности теплопередачи A_ТО = 40 м²;

диаметр кожуха D = 600 мм;

диаметр труб d = 25×2 мм;

число ходов N = 1;

общее число труб n = 257;

длина труб L = 2,0 м;

масса теплообменника m_ТО = 1350 кг.

Запас по поверхности теплопередачи:

.

Теплообменник «труба в трубе»

В двухтрубном теплообменнике турбулентность потока теплоносителей выше, чем в кожухотрубчатом, что приводит к большему коэффициенту теплопередачи. Выбираем верхнюю границу интервала:

Ориентировочная поверхность теплопередачи кожухотрубчатого теплообменника: .

Выбираем из [4, с. 61, табл. 2.11, 2.12] теплообменник с такой площадью поверхности, чтобы запас по поверхности составлял не менее 5 %. Минимальная площадь поверхности теплопередачи такого теплообменника составляют: .

Подходит разборный многопоточный теплообменник типа «труба в трубе» со следующими характеристиками:

площадь поверхности теплопередачи A_ТО = 36 м²;

число параллельных потоков N = 12;

число труб n = 24;

длина труб L = 9,0 м.

Запас по поверхности теплопередачи:

.

В качестве альтернативы можно рассмотреть 4 последовательно соединённых двухпоточных теплообменников типа «труба в трубе» со следующими характеристиками:

площадь поверхности теплопередачи A_ТО = 7,5 м²;

диаметр труб d = 133×4 мм;

число параллельных потоков N = 1;

число труб n = 2;

длина труб L = 9,0 м.

Запас по поверхности теплопередачи:

.

Возможны и другие варианты компоновки теплообменного аппарата из нескольких однопоточных и двухпоточных теплообменников типа «труба в трубе». Окончательный выбор аппарата можно сделать только после гидравлического и поверочного теплового расчёта каждого выбранного варианта.

Пластинчатый теплообменник

В пластинчатом теплообменнике коэффициент теплопередачи примерно в 3 раза выше, чем в кожухотрубчатом: .

Ориентировочная поверхность теплопередачи кожухотрубчатого теплообменника: .

Выбираем из [4, с. 63, табл. 2.13] теплообменник с такой площадью поверхности, чтобы запас по поверхности составлял от 5 до 30 %. Минимальная и максимальная площади поверхности теплопередачи такого теплообменника составляют:

,

.

Подходят теплообменники:

Поверхность, м2.	16	16	16
Тип пластин, м2.	0,2	0,3	0,6
Число пластин.	84	56	30
Масса, кг.	1340	440	1030

Выбираем теплообменник с наименьшей массой.

Характеристики теплообменника:

площадь поверхности теплопередачи A_ТО = 16 м²;

тип пластин f = 0,3 м²;

число пластин N = 56;

масса теплообменника m_ТО = 440 кг.

Запас по поверхности теплопередачи:

.