Поверочный расчёт теплообменника типа «труба в трубе» Задача 36
В двухтрубном теплообменнике производится охлаждение 0,7 т/ч бензола от 75 °C до 30 °C. В качестве хладагента используется вода, подаваемая в кольцевой зазор между трубами, температура воды меняется от 23 °C до 28 °C. Тепловыми потерями пренебречь. Неразборный двухтрубный теплообменник изготовлен из труб диаметром 57×4 мм и 25×3 мм и состоит из 9 секций длиной 3 м каждая. Выполнить поверочный расчёт теплообменника и определить коэффициент запаса теплообменника по поверхности теплопередачи.
Решение
Теплагент – бензол (охлаждение).
Хладагент – вода (нагрев).
Рассмотрим противоток теплоносителей в однопоточном теплообменнике типа «труба в трубе» (рис. 19).
Рис.
19. Профиль температур теплоносителей
по длине труб холодильника
типа «труба
в трубе» 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:
.
Физические свойства теплагента (бензола)
при его средней интегральной температуре
:
плотность
[2, с. 14],
вязкость
[2, с. 15],
теплоёмкость
[2, с. 18],
теплопроводность
[2, с. 19].
Физические свойства хладагента (воды)
при его средней интегральной температуре
:
плотность
[2, с. 4],
вязкость
[2, с. 4],
теплоёмкость
[2, с. 4],
теплопроводность
[2, с. 4].
Объёмные расходы теплоносителей:
теплагент
,
хладагент
.
Эквивалентные диаметры:
внутренняя труба (теплагент)
,
кольцевой зазор (хладагент)
.
Площади сечения потоков теплоносителей:
внутренняя труба (теплагент)
,
кольцевой зазор (хладагент)
.
Скорости теплоносителей:
теплагент
,
хладагент
.
Критерии (числа) Рейнольдса теплоносителей:
теплагент
,
хладагент
.
Критерии (числа) Прандтля теплоносителей:
теплагент
,
хладагент
[2, с. 4].
Выбор расчётных формул для критериев (чисел) Нуссельта теплоносителей [1, с. 155, табл. 4.4]:
теплагент
,
хладагент
.
Критерии (числа) Нуссельта для теплоносителей:
теплагент
,
где
при
,
в соответствии с рекомендациями [4,
с. 68];
хладагент
,
где
,
.
Коэффициенты теплоотдачи:
от теплагента к стенке
,
от стенки к хладагенту
.
Загрязнения поверхности стенки [1, с. 531, табл. XXXI]:
со стороны теплагента (органические
жидкости)
со стороны хладагента (вода загрязнённая среднего качества)
,
берём середину интервала
.
Теплопроводность стальной стенки трубок теплообменника:
для неагрессивных жидкостей берём
углеродистую сталь
,
для агрессивных жидкостей (органические
кислоты, нитробензол) берём нержавеющую
сталь
.
Коэффициент теплопередачи для цилиндрической стенки
(внутренняя труба – бензол –
,
,
;
кольцевой зазор – вода –
,
,
):
.
Расчётная площадь поверхности теплопередачи:
.
Площадь поверхности теплообменника:
.
Запас по поверхности теплопередачи:
.